JP2004022364A

JP2004022364A - Fuel cell system and fuel cell electric automobile

Info

Publication number: JP2004022364A
Application number: JP2002176249A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Isogai; 磯貝　嘉宏; Nobuo Fujita; 藤田　信雄
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which it is possible to suppress energy loss and to boot-up at low temperatures in a short time, and a control method of this fuel cell system, and to provide a fuel cell automobile mounted with the system. <P>SOLUTION: The system has the fuel cell 10, a hydrogen storage alloy tank 2 connected with the fuel cell 10 via a heat medium flow path 4 and having a built-in hydrogen storage alloy, and a hydrogen tank 3 capable of supplying hydrogen. Then, when the temperature of the fuel cell 10 is lower than a prescribed set temperature To, the warm up of the fuel cell 10 is carried out by supplying hydrogen to the hydrogen storage alloy from the hydrogen tank 3. When the warm-up is carried out, applying pressure P to supply hydrogen to the hydrogen storage alloy tank 2 is set according to the warm-up thermal output Q per unit time, which is obtained by dividing warm-up calory calculated based on the deviation ΔT between the temperature Tfc and the set temperature To of the fuel cell 10 and the heat content of the fuel cell 10 by a target warm up time Ti. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，例えば燃料電池自動車などに搭載可能な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
例えば燃料電池自動車に搭載されている燃料電池は，燃料極に水素，酸化剤極に酸素を供給し，電解質層を介した電気化学反応　Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ　により発電するシステムである。
燃料電池から生成する水は通常未反応ガスと共に外部へ捨てられるが，燃料電池停止時などにはガス流通路に生成水が残ったままとなる場合がある。寒冷地などに燃料電池自動車を適用した場合，外気温が水の凝固点である０℃以下になると，ガス流通路に残った水が凍結しガス流通路を塞いでしまう。そのため，燃料ガスが流れなくなって，燃料電池が起動できないという問題が生じる。
【０００３】
特に上記燃料電池が固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）である場合には，電解質膜又はその表面に存在する水分が低温時に凍結することがあり，発電が不能或いは発電効率が低下する場合がある。また，凍結していなくても，ＰＥＦＣ本体の温度を定常運転温度まで暖める必要がある場合がある。
そのため，従来においては，低温から立ち上げるときに，電気エネルギー又は燃焼エネルギーなどによって燃料電池本体を加熱する機能を設けた燃料電池システムが提案されている。
【０００４】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の燃料電池システムにおいては次の問題がある。
即ち，燃料電池本体を電気エネルギーを利用して加熱するためには，専用の大容量のバッテリーが必要であり，また燃焼エネルギーを利用して加熱するためには，専用の燃焼設備が必要である。そのため，燃料電池システムの大型化を来してしまう。更には，発電に寄与しない電気エネルギー又は燃焼エネルギーの消費によるエネルギー損失が大きく，燃料電池システム全体のエネルギー効率が低下してしまう。
【０００５】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池システムとこの燃料電池システムの制御方法及びこれを搭載した燃料電池自動車を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題の解決手段】
第１の発明は，燃料電池と，
熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池と接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンクと，
上記燃料電池及び上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給可能な水素タンクとを有し，
上記燃料電池による発電を開始するに際し，該燃料電池の温度Ｔｆｃが所定の設定温度Ｔｏよりも低い場合には，上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給し，該水素吸蔵合金タンクにおいて水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって上記燃料電池に伝達して該燃料電池の温度を設定温度Ｔｏまで上昇させる暖機作業を行うよう構成されており，
かつ，該暖機作業において上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給するに当たっては，上記燃料電池の温度Ｔｆｃと設定温度Ｔｏとの偏差ΔＴ及び上記燃料電池の熱容量に基づいて算出される熱量であって暖機作業に必要な暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉによって除してなる単位時間当たりの暖機熱出力Ｑに応じて，水素供給する際の絶対圧力である印加圧Ｐを設定するよう構成してあることを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。
【０００７】
上記第１の発明の燃料電池システムは，上記水素タンクから水素を供給されると共に，上記熱交換媒体を循環させる熱媒流路を介して上記燃料電池と接続された上記水素吸蔵合金タンクを有している。そして，上記第１の発明は，この水素吸蔵合金タンクに内蔵された水素吸蔵合金が水素吸蔵を行った際の発熱特性を積極的に利用して，上記暖機作業を実現可能にしたものである。
【０００８】
そして，上記燃料電池システムは，上記暖機作業を実施するに当たっては，上記偏差ΔＴ及び上記燃料電池の熱容量に基づいて算出される暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉによって除してなる単位時間当たりの暖機熱出力Ｑに応じて，上記水素吸蔵合金タンクへ水素を供給する上記印加圧Ｐを設定している。
【０００９】
ここで，上記暖機熱量は，理想的には燃料電池の熱容量に上記偏差ΔＴを乗じた量となる。しかし，実際の暖機作業においては，自由放熱等の熱ロスが生じる。そこで，上記暖機熱量は，燃料電池の熱容量及び偏差ΔＴに基づき，熱ロス分を加味して算出するのが良い。
【００１０】
そして，このように算出した暖機熱出力Ｑに応じて上記印加圧Ｐを設定すれば，上記暖機作業の熱負荷に応じた適切に印加圧Ｐを設定することができる。そうすると，暖機作業の熱負荷が大きい場合であっても，水素吸蔵合金に急速に水素を吸蔵させ，大きな熱量を発熱させて，速やかに上記燃料電池を昇温することができる。
このように，上記第１の発明によれば，エネルギー損失を抑制しながら，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００１１】
第２の発明は，上記第１の発明に基づく燃料電池システムを有し，該燃料電池システムから供給される電力により駆動モータを運転するように構成されていることを特徴とする燃料電池自動車にある（請求項６）。
上記第２の発明の燃料電池自動車は，駆動モータを有しており，上記第１の発明の燃料電池システムにより発電された電力により，上記駆動モータを回転させ，その回転力を路面に伝えて走行する。
【００１２】
そのため，上記第２の発明による燃料電池自動車は，コールドスタート時には，上記水素吸蔵合金の水素吸蔵時に発生する熱量を利用して，効率良く，上記燃料電池の暖機作業を実施することができる。
このように，上記第２の発明によれば，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池自動車を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
上記各発明の上記燃料電池システムは，上記暖機作業において，まず上記水素タンクから上記水素吸蔵合金タンクに水素を供給し，内蔵された水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ発熱させる。そして，この発生した熱を上記熱交換媒体に伝達し，さらに熱交換媒体から燃料電池に伝達することで燃料電池の温度を高める。このように，上記燃料電池システムでは，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入することなく，上記水素タンクから供給される水素を利用して上記暖機作業を行うことができる。またこの暖機作業において上記水素吸蔵合金タンク内に吸蔵された水素は，上記再生作業により，上記燃料電池の燃料として活用することができる。そのため，エネルギー損失を抑制しつつ，上記暖機作業を実施することができる。
【００１４】
なお，上記水素吸蔵合金タンクに内蔵する水素吸蔵合金としては，例えば，ＭｍＮｉ_５（Ｍｍはミッシュメタル）に代表される希土類系合金，ＴｉＦｅに代表されるチタン系合金，Ｍｇ_２Ｎｉに代表されるマグネシウム系合金等の様々な水素吸蔵合金を適用することができる。
【００１５】
そして，上記各発明における上記燃料電池としては，例えば固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用することができる。このＰＥＦＣは，電解質膜又はその表面に存在する水分が凍結することがある。また，水分が溶解する温度以外にも，効率良く運転しうる定常運転温度が設定されている。そのため，ＰＥＦＣは，その暖機作業を実施することが非常に有効である。
なお，上記燃料電池としては，上記ＰＥＦＣ型以外の形式のものを適用することも勿論可能である。
【００１６】
上記第１の発明においては，水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに対する上記印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰと，水素吸蔵合金が発生する反応熱出力Ｑｍｈとの関係を表す反応式に基づいて，この反応熱出力Ｑｍｈを上記暖機熱出力Ｑと等しくする上記供給圧ΔＰを算出し，該供給圧ΔＰを保持するように上記印加圧Ｐを設定しながら上記暖機作業を行うよう構成してあることが好ましい（請求項２）。
【００１７】
上記反応式とは，別途実験により得られた水素吸蔵合金の反応速度に関する実験式であり，数１及び数２によって表される。この数１は，上記供給圧ΔＰ，水素吸蔵量Ｃ及び平衡水素圧Ｐｅと，単位時間当たりの水素吸蔵量を表す反応速度Ｖとの関係を表現する実験式である。また，数２は，水素吸蔵合金から生じる反応熱出力Ｑｍｈは，上記反応速度Ｖと，水素吸蔵合金の特性値である反応熱ΔＨとの積により計算可能であることを表している。
【００１８】
【数１】

【００１９】
【数２】

【００２０】
そして，上記暖機熱出力Ｑを，上記反応式の反応熱出力Ｑｍｈとして代入すれば，水素吸蔵量Ｃ及び平衡水素圧力Ｐｅに応じた上記供給圧ΔＰを求めることができる。
なお，上記水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅは，水素吸蔵合金の合金温度に基づいて推定することができる。例えば，制御用ＥＣＵ内のＲＯＭに，水素吸蔵合金の合金温度と平衡水素圧Ｐｅとの関係式を保存しておけば，測定した合金温度を上記関係式に代入して平衡水素圧Ｐｅを算出することができる。また，合金温度に対する平衡水素圧Ｐｅの値を１次元マップデータとして保存しておけば，測定した合金温度に基づいて１次元マップデータを参照して平衡水素圧Ｐｅを求めることもできる。
【００２１】
また，水素吸蔵量Ｃは，水素吸蔵量の変化に応じて生じる水素吸蔵合金の体積変化から推定可能である。特に，水素吸蔵合金タンク内に粉末からなる水素吸蔵合金を充填した場合には，特開２０００−９７９３１号報において開示されるように，水素吸蔵に伴って水素吸蔵合金粉末の体積変化を生じると隣接する水素吸蔵粉末同士の接触面積、接触状態が変化し、その接触面における電気抵抗が変化する。
【００２２】
すなわち，水素吸蔵合金粉末が充填された水素吸蔵合金タンク内における電気抵抗値は水素吸蔵量Ｃに応じて変化する。そこで，例えば，水素吸蔵合金タンク内に配設された一対の電極間に生じる電気抵抗値と，水素吸蔵量との関係を，あらかじめ実験的に求めておけば，上記一対の電極間の電気抵抗値を計測することにより水素吸蔵量Ｃを計測することができる。
【００２３】
そして，上記平衡水素圧Ｐｅに対する相対圧力が上記供給圧ΔＰである上記印加圧Ｐのもと水素供給すると，上記暖機作業中において，水素吸蔵合金から上記暖機熱出力Ｑと略一致する熱量を継続的に発生させていくことができる。
そしてさらに，この暖機熱出力Ｑを，上記燃料電池へ受け渡して略一定のスピードで昇温することができる。そのため，上記燃料電池の温度を，効率良く短時間に上記設定温度Ｔｏに到達させることができる。
【００２４】
また，上記暖機熱出力Ｑに応じて設定した上記印加圧Ｐを一定として上記暖機作業を行うよう構成してあることが好ましい（請求項３）。
この場合には，上記暖機作業を開始した直後において，比較的大きな熱量を発生させることができる。また，燃料電池の温度Ｔｆｃが上記設定温度Ｔｏに近づいていくにつれ，水素吸蔵合金が生じる熱量を徐々に小さくしていくことができる。そのため，上記燃料電池の暖機作業を，その立ち上がりを良くしながら設定温度Ｔｏに到達したときにオーバーシュートを生じないよう実施することができる。
【００２５】
また，上記燃料電池の温度Ｔｆｃを随時計測しながら実施して，計測された温度Ｔｆｃと上記目標暖機時間から経過した時間を差し引いた残り暖機時間Ｔｒとを基にして，上記暖機熱出力Ｑをその都度計算すると共に，上記反応式に基づいて，上記反応熱出力Ｑｍｈを上記暖機熱出力Ｑと等しくする上記供給圧ΔＰを算出し，該供給圧ΔＰを保持するように上記印加圧Ｐを設定しながら上記暖機作業を行うよう構成してあることが好ましい（請求項４）。
【００２６】
この場合には，上記暖機作業中において，上記燃料電池の温度Ｔｆｃをフィードバックして，適切に供給圧ΔＰを設定することにより，上記水素吸蔵合金からさらに適切に熱出力を発生させることができる。そのため，上記水素吸蔵合金で生じる熱出力を，きめ細かく制御して，さらに効率良く短時間に上記燃料電池を暖機することができる。
【００２７】
また，上記印加圧Ｐは，０．８ＭＰａ〜３．０ＭＰａの範囲であることが好ましい（請求項５）。
この場合には，水素吸蔵合金タンクに対して，０．８〜３．０ＭＰａの印加圧Ｐのもと水素供給することにより，短時間にかつ効率良く水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることができる。
【００２８】
一方，上記印加圧Ｐが０．８ＭＰａ未満であると，単位時間あたりに水素吸蔵合金から発生する熱出力が不足して，上記燃料電池を速やかに昇温することができないおそれがある。そのため，より好ましくは１．０ＭＰａ以上が良い。
また，上記印加圧Ｐが３．０ＭＰａを越える場合には，一時的に大きな熱出力が発生して上記水素吸蔵合金タンク等の過熱を生じるおそれがある。水素吸蔵合金タンク等の過熱を生じると，自由放熱による放熱量が増加し，熱交換の効率が悪化するおそれがある。
【００２９】
【実施例】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる燃料電池システムにつき，図１〜図３を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は，燃料電池自動車に搭載するものであって，図１に示すごとく，燃料電池１０と，熱交換媒体を循環させる熱媒流路４を介して上記燃料電池１０に接続されていると共に水素吸蔵合金を内蔵してなる水素吸蔵合金タンク２と，燃料電池１０及び水素吸蔵合金タンク２に水素を供給可能な水素タンク３とを有している。
【００３０】
そして，本例の燃料電池システム１は，燃料電池１０による発電を開始するに際し，燃料電池１０の温度が所定の設定温度Ｔｏよりも低い場合には，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給し，水素吸蔵合金タンク２において水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて熱を発生させ，発生した熱を上記熱交換媒体によって燃料電池１０に伝達して燃料電池１０の温度を設定温度Ｔｏまで上昇させる暖機作業を行うよう構成してある。
【００３１】
さらに，該暖機作業において上記水素タンク３から上記水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給するに当たっては，上記燃料電池１０の温度Ｔｆｃと設定温度Ｔｏとの偏差ΔＴ及び上記燃料電池１０の熱容量に基づいて算出される暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉによって除してなる単位時間当たりの暖機熱出力Ｑに応じて，上記水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給する絶対圧力を表す印加圧Ｐを設定するよう構成してある。以下この内容について説明する。
【００３２】
本例の燃料電池システム１は，図１に示すごとく，水素の流路として，水素タンク３と燃料電池１０とを直接的に連結したメイン流路５３と，水素タンク３と水素吸蔵合金タンク２とを連結したバイパス流路５１とを有する。
上記メイン流路５３とバイパス流路５１とは，水素タンク３に接続された同一の上流流路５０から分岐して配設されている。
そして，上流流路５０，バイパス流路５１及びメイン流路５３には，それぞれの流路を開閉する開閉弁Ｖ０，Ｖ１，Ｖ３がそれぞれ設けられている。
【００３３】
また，上流流路５０と分岐後のメイン流路５３とには，それぞれ水素圧力を規制するタンクレギュレータＲ１と供給レギュレータＲ２が配設されている。外部から制御可能である上記タンクレギュレータＲ１は，その規制圧Ｐｒを任意に設定できるよう構成してある。
また，供給レギュレータＲ２は，メイン流路５３を介して燃料電池１０に供給する水素圧力を，上記規制圧Ｐｒよりも低いＦＣ供給圧Ｐｆｃ一定に規制するよう構成してある。
【００３４】
熱交換媒体を循環させる熱媒流路４は，図１に示すごとく，燃料電池１０内を循環する電池循環部４１と，水素吸蔵合金タンク２内を循環するＭＨ循環部４２と，上記燃料電池１０を冷却するための冷却用熱交換器４３を循環する部分とを含んでいる。そして，同図に示すごとく，上記電池循環部４１と冷却用交換器４３とをループ状につないだメイン回路４０１に，上記ＭＨ循環部４２を含むループ状のサブ回路４０２が２つの分岐点４５１，４５２を介して並列に接続された構造となっている。
【００３５】
メイン回路４０１には，熱交換媒体を流動させるポンプ４０が配設されている。さらにメイン回路４０１には，バイパス路４７が設けられ，その一方の分岐点に三方弁Ｖ４が配設されている。一方，サブ回路４０２には開閉弁Ｖ２が配設されている。
【００３６】
また，水素吸蔵合金タンク２には，希土類系合金（ＭｍＮｉ_５）よりなる粉末の水素吸蔵合金を充填してある。また，水素吸蔵合金の合金温度Ｔｍｈを計測する温度計測手段Ｔ１と，水素吸蔵合金の水素吸蔵量Ｃを測定する吸蔵量測定手段として，水素吸蔵合金タンク２内の電気抵抗値を計測するための一対の電極（図示略）を配設してある。この吸蔵量測定手段は，水素吸蔵合金が充填された水素吸蔵合金タンク２内に配設された上記一対の電極間の電気抵抗値を計測することにより，上記水素吸蔵量Ｃを測定しうるものである。
【００３７】
さらに，上記燃料電池システム１の制御を実施する制御ＥＣＵ（図示略）のＲＯＭ（記憶素子）には，合金温度Ｔｍｈに対する平衡水素圧Ｐｅの関係を示した１次元マップデータが格納してある。そして，上記制御ＥＣＵは，測定した合金温度Ｔｍｈに基づいて，上記１次元マップデータを参照して平衡水素圧Ｐｅを求めることができるよう構成してある。
【００３８】
また，燃料電池１０としては，固体分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を適用した。そして，この燃料電池１０には，図１に示すごとく，水素を供給する下流流路５４を接続してあると共に，空気を供給するための空気供給路５９を接続してある。そして，燃料電池１０は，供給された水素と，供給された空気に含まれる酸素とによって，電解質層を介した電気化学反応Ｈ_２＋１／２Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ　を進めて発電するよう構成されている。
【００３９】
また，上記水素吸蔵合金タンク２に保持する水素吸蔵合金としては，希土類系合金（ＭｍＮｉ_５）を採用したものを用いた。上記水素タンク３としては，高圧水素を備蓄した高圧水素ボンベを採用した。
なお，上記燃料電池１０，水素吸蔵合金タンク２，水素タンク３を別の形式のものに変更することも可能である。
また，燃料電池１０内には，その温度Ｔｆｃを測定する温度測定手段（図示略）が配設されている。
【００４０】
次に，上記構成の燃料電池システム１の制御方法の一例を，図２を用いて説明する。図２は，上記暖機作業を実施する際の制御フローを示している。
また，図３には，参考として，水素吸蔵合金を再生する再生作業を実施する際の制御フローを示す。この再生作業を十分に実施することにより，次回，燃料電池１０をコールドスタートする際，十分な熱量を生じさせ，燃料電池１０を速やかに昇温することができる。すなわち，水素吸蔵合金の再生作業は，上記暖機作業を繰り返し行う上で不可欠の作業である。そこで，上記燃料電池システム１において，水素吸蔵合金タンク２内の水素吸蔵合金を再生する再生作業の手順についても説明する。
なお，これらの図中においては，理解を容易にするため開閉弁の開状態を○，閉状態を×として示した。以下，同様である。
【００４１】
また，本例では，上記燃料電池１０の上記設定温度Ｔｏとして第１設定温度Ｔｏ１と第２設定温度Ｔｏ２との２つの温度を設定した。第１設定温度Ｔｏ１としては，これを０℃に設定し，第２設定温度Ｔｏ２としては，燃料電池１０が効率的に運転しうる温度を設定している。なお，第２設定温度Ｔｏ２は，第１設定温度Ｔｏ１より高い温度である。
【００４２】
上記暖機作業を実施するに当たって，予め，燃料電池１０の温度Ｔｆｃ（以下適宜ＦＣ温度という）及び第２設定温度Ｔｏ２と，目標暖機時間Ｔｉとに基づいて，暖機熱出力Ｑを算出してある。具体的には，まず，燃料電池１０の熱容量に，第２設定温度Ｔｏ２とＦＣ温度Ｔｆｃとの偏差ΔＴを乗じて，さらに損失熱量を加算して上記暖機熱量を求めている。次いで，この暖機熱量を，目標暖機時間Ｔｉにより除して単位時間当たりの暖機熱出力Ｑを求めている。
そしてさらに，この暖機熱出力Ｑを，上記平衡水素圧Ｐｅ及び上記水素吸蔵量Ｃと共に，上記数１，数２に代入して，水素吸蔵合金に水素供給する相対圧力である供給圧ΔＰを算出してある。
【００４３】
そして，暖機作業においては，まず，図２に示すごとく，ステップＳ１０１においてＦＣ温度Ｔｆｃが第１設定温度Ｔｏ１以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第１設定温度Ｔｏ１以下の場合には，ステップＳ１０２に示すごとく開閉弁Ｖ０〜Ｖ３の開閉状態等を設定し，暖機作業を開始する。
【００４４】
即ち，ステップＳ１０２においては，開閉弁Ｖ０を開状態として水素タンク３から水素を導出可能とすると共に，開閉弁Ｖ１を開状態として水素吸蔵合金タンク２に水素を供給する。
そして，タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを，平衡水素圧Ｐｅに供給圧ΔＰを加えた値に制御する。そうすると，水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに対する相対圧力が上記供給圧ΔＰである印加圧Ｐのもと，水素吸蔵合金タンク２に水素供給することができる。
【００４５】
このようにして，水素吸蔵合金タンクへ水素を供給して水素吸蔵合金に水素を吸蔵させて発熱させる。そして，図１に示すごとく，ポンプ４０を運転すると共に，開閉弁Ｖ２を開状態としてサブ回路４０２に熱交換媒体を循環させる。
そうすると，上記電池循環部４１と上記ＭＨ循環部４２との間を，熱交換媒体が循環することとなる。そして，水素吸蔵合金において生じた熱は，燃料電池１０へ伝達されてＦＣ温度Ｔｆｃを上昇させる。
そして，図２に示すごとく，ＦＣ温度が第１設定温度Ｔｏ１を越えるまでは，上記ステップＳ１０２の状態を維持し，その後，ＦＣ温度が第１設定温度Ｔｏ１を越えた場合にステップＳ１０３へ移行する。
該ステップＳ１０３では，ＦＣ温度Ｔｆｃが第２設定温度Ｔｏ２以下か否かを判断する。ＦＣ温度が第２設定温度Ｔｏ２以下の場合には，ステップＳ１０４に示すごとく開閉弁Ｖ０〜Ｖ３の開閉状態等を設定し，燃料電池１０を運転する。
【００４６】
即ち，ステップＳ１０４においては，上記ステップＳ１０２において設定した開閉弁Ｖ０，開閉弁Ｖ１の状態を維持する。さらに，Ｓ１０２において実施したごとく，タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒの制御を継続する。そして，水素吸蔵合金タンク２への水素の供給を継続して，水素吸蔵合金をさらに発熱させる。
【００４７】
また，ポンプ４０及び開閉弁Ｖ２の設定についてもステップＳ１０２と同様として，上記電池循環部４１と上記ＭＨ循環部４２との間の熱交換媒体の循環を続ける。このようにして，上記燃料電池１０を昇温する暖機作業を継続する一方，ステップＳ１０４では，水素タンク３から燃料電池１０への水素供給を開始して燃料電池１０を運転する。
【００４８】
具体的には，開閉弁Ｖ３を開状態として，上記供給レギュレータＲ２により規制されたＦＣ供給圧Ｐｆｃのもと，燃料電池１０へ水素を供給する。これにより，タンクレギュレータＲ１により規制する印加圧Ｐのもと，水素吸蔵合金タンク２に水素を供給して水素吸蔵合金を発熱させながら，同時に，燃料電池１０には，上記印加圧Ｐより低いＦＣ供給圧Ｐｆｃのもと水素を供給して発電を行うことができる。
そして，ＦＣ温度Ｔｆｃが第２設定温度Ｔｏ２を越えるまでは，上記ステップＳ１０４の状態を維持する。そして，ＦＣ温度Ｔｆｃが第２設定温度Ｔｏ２を越えた場合には，ステップＳ１０５に移行して，暖機作業を終了して通常運転を実施する。
【００４９】
上記ステップＳ１０５においては，開閉弁Ｖ０及び開閉弁Ｖ３を開状態として保持する一方，開閉弁Ｖ１及び開閉弁Ｖ２を閉状態とする。すなわち，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２に通じる水素の流路，及び電池循環部４１とＭＨ循環部４２との間の熱交換媒体の流路を遮断する。このようにして，燃料電池１０の通常運転を実施する。
【００５０】
次に，上記再生作業は，図３に示すごとく，燃料電池１０の通常運転が継続され，ＦＣ温度Ｔｆｃが十分に上昇してから実施する。
この再生作業においては，まず，ステップＳ２０１においてＦＣ温度Ｔｆｃが再生基準温度Ｔｓ以上か否かを判断する。ＦＣ温度Ｔｆｃが再生基準温度Ｔｓ以上の場合には，さらに，ステップＳ２０２に示す条件を判断する。
該ステップＳ２０２においては，水素吸蔵合金に貯蔵されている水素吸蔵量Ｃが規定量以上か否かを判断する。規定量以上であれば，ステップＳ２０３に示すごとく開閉弁Ｖ１，Ｖ２の開閉状態等を設定し，再生作業を実施する。
【００５１】
上記ステップＳ２０３においては，図１に示すごとく，開閉弁Ｖ２を開状態としたうえポンプ４０を運転することにより，上記電池循環部４１と上記ＭＨ循環部４２との間において熱交換媒体を循環させる。このようにして，燃料電池１０の排熱を水素吸蔵合金に伝達して昇温し，水素を放出させる。また，タンクレギュレータＲ１は，その規制圧Ｐｒを上記ＦＣ供給圧Ｐｆｃと同じ値に設定して，印加圧ＰをＰｆｃに規制する。さらに，開閉弁Ｖ１を開状態とすると，水素吸蔵合金タンク２内の圧力をＦＣ供給圧Ｐｆｃまで低くくして，水素吸蔵合金からの水素の放出を容易にする。
【００５２】
このようにして水素吸蔵合金から放出された水素は，水素吸蔵合金タンク２から流出し，バイパス流路５１を経て，上記メイン流路５３に合流して，燃料電池１０へ供給されることとなる。したがって，再生作業時においては，燃料電池１０は，水素吸蔵合金タンク２と水素タンク３とから，同時に水素を供給されて運転することとなる。
そして，図３に示すごとく，ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓ以上であって，かつ，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量以上である場合には，上記ステップＳ２０３の状態を維持し，再生作業を継続して行う。その後，ステップＳ２０２のごとく，水素吸蔵合金の水素貯蔵量が規定量を下回った場合には再生作業を終了する。また，ＦＣ温度が再生基準温度Ｔｓを下回った場合には，再生作業を中断して上記通常運転状態へ復帰する。具体的には，ステップＳ２０４に示すごとく，開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉状態とする。
【００５３】
このように，本例の燃料電池システム１は，水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際，発熱する特性を積極的に利用して，上記暖機作業を実現することができる。
即ち，上記暖機作業は，まず上記水素タンク３から上記水素吸蔵合金タンク２に水素を供給し，内蔵された水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ発熱させる。そして，発生した熱を，熱交換媒体を介して燃料電池に伝達することにより燃料電池１０の温度Ｔｆｃを上昇させる。このように，本例の燃料電池システム１では，外部からの電気エネルギーや燃焼エネルギーを導入することなく，水素タンク３から供給される水素を利用して暖機作業を行うことができる。
【００５４】
また，本例の燃料電池システム１は，タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを，水素吸蔵合金タンク２に内蔵されている水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに上記供給圧ΔＰを加えた値に制御している。そして，この規制圧Ｐｒにより規制した印加圧Ｐのもと，水素タンク３から水素吸蔵合金タンク２へ水素を供給して暖機作業を実施する。
【００５５】
そのため，水素平衡圧Ｐｅに対する印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰを略一定として，水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることとなる。それ故，水素の吸蔵は略一定の速度で進行して，水素吸蔵合金から略一定の熱出力を，継続的に発生させることができる。そして，燃料電池１０は，上記ＭＨ循環部４２と電池循環部４１との間を循環する熱交換媒体を介して，その熱出力を伝達されて略一定の割合で昇温することとなる。
【００５６】
また，暖機作業を通じて，上記供給圧ΔＰを略一定に制御するため，水素吸蔵合金において突発的に大きな熱出力が発生するようなことがない。そのため，水素吸蔵合金で発生した熱量が，上記ＭＨ循環部４２と電池循環部４１と熱交換媒体とによる熱伝達容量を超過して，水素吸蔵合金を含む上記水素吸蔵合金タンク２を過熱させるようなことがない。したがって，水素吸蔵合金タンク２からの自由放熱によるエネルギー損失を抑制することができる。
このように，上記第１の発明によれば，エネルギー損失を抑制すると共に，低温時の立ち上げを短時間に行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【００５７】
なお，本例の燃料電池システム１は，上記暖機作業を実施して水素を貯蔵した水素吸蔵合金を，通常運転状態にある燃料電池１０から発生する排熱を利用して再生する。そのため，本例によれば，水素吸蔵合金の再生についても，効率的に実施することができる。それ故，次回のコールドスタート時においても，水素吸蔵合金から十分な熱量を取り出し，速やかな暖機作業を実施することができる。また，本例の制御方法に替えて，上記各開閉弁Ｖ０〜Ｖ３及び三方弁Ｖ４の開閉切り替えタイミングや，供給レギュレータＲ２の規制圧などを変更することにより，さらにその他の制御方法に変更することもできる。
【００５８】
さらに，燃料電池システム１を制御する上記制御ＥＣＵのＲＯＭに，上記１次元マップデータに代えて合金温度Ｔｍｈと平衡水素圧Ｐｅとの近似関係式を格納してもよい。この場合には，該近似関係式を利用して上記平衡水素圧Ｐｅを求めることができる。
【００５９】
さらにまた，制御ＥＣＵのＲＯＭに，水素吸蔵合金の温度Ｔｍｈ及び水素吸蔵量Ｃに対する平衡水素圧Ｐｅの関係を表す２次元マップデータを格納しても良い。この場合には，上記制御ＥＣＵは，計測した合金温度Ｔｍｈと水素吸蔵量Ｃとに基づいて上記２次元マップデータを参照し，平衡水素圧Ｐｅを精度良く算出することができる。
なお，上記水素吸蔵合金の合金温度Ｔｍを計測においては，ＭＨ循環部４２を通過した直後の熱交換媒体の温度を計測して，この温度をもって合金温度Ｔｍｈとすることもできる。
【００６０】
（実施例２）
本例は，実施例１の構成を基礎として，印加圧Ｐの制御方法を変更した例である。
本例の燃料電池システム１においては，暖機作業を開始するに当たって，まず暖機熱出力Ｑを算出する。そして，上記暖機熱出力Ｑに応じて水素吸蔵合金タンク２へ水素供給する印加圧Ｐを設定する。
暖機作業を実施するに当たっては，その印加圧Ｐの設定を変更することなく燃料電池１０の暖機作業を実施した例である。
ここでは，暖機熱出力Ｑを，平衡水素圧Ｐｅ及び水素吸蔵量Ｃとともに，上記数１，数２に代入して上記供給圧ΔＰを算出している。そして，この供給圧ΔＰに基づいて，平衡水素圧Ｐｅとの相対圧力がΔＰとなるよう印加圧Ｐを設定している。
【００６１】
本例の燃料電池システム１によれば，暖機作業を開始した直後において，比較的大きな熱出力を発生させることができる。また，燃料電池の温度Ｔｆｃが上記設定温度Ｔｏに近づいていくにつれ，水素吸蔵合金が生じる熱出力は徐々に小さくしていくことができる。そのため，上記燃料電池の暖機作業において，立ち上がり特性と，上記第２設定温度に到達したときのオーバーシュートの抑制とを両立させることができる。
【００６２】
なお，その他の構成及び作用効果は，実施例１と同様である。
【００６３】
（実施例３）
本例は，実施例２の構成を基礎として，タンクレギュレータＲ１により規制する印加圧Ｐと，暖機作業に要する時間との関係に基づいてタンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを設定した例である。
そこで，まず，印加圧Ｐと暖機作業に要する時間との関係を明確にする実験を行った。
本例においては，水素吸蔵合金としてＡＢ５型合金であるＭｍＮｉ_５−Ｂｘ系（Ｍｍ：Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ等からなるミッシュメタル，Ｂ：Ａｌ，Ｍｎ等）を採用した。この水素吸蔵合金は常用温度（通常１０〜５０℃）における水素吸蔵平衡水素圧は２．０ＭＰａ以下である。
【００６４】
また，上記水素吸蔵合金タンク２としては，フィン付きの扁平形状の熱媒配管を有した水素吸蔵熱交換器を，水素吸蔵合金粉末とともに角型筒形状の水素吸蔵交換機用ケースに収容して形成したものを用いた。
上記水素吸蔵熱交換器の熱媒配管中には，２０Ｌ／ｍｉｎの熱交換媒体を循環させ，水素吸蔵合金で生じた熱を吸熱して，熱容量５０（ｋＪ／Ｋ）である燃料電池１０の温度を−１５〜０℃まで昇温することにした。この実験結果を図４に示す。同図には，横軸には印加圧Ｐを，縦軸には暖機に要する時間を示している。
【００６５】
図４に示すグラフによれば，上記水素吸蔵合金により上記燃料電池１０を暖機するに当たって，水素の印加圧Ｐが０．８ＭＰａ未満であると上記暖機作業に要する時間が急激に長くなることがわかる。
一方，印加圧Ｐを３．０ＭＰａより大きくすれば，暖機作業に要する時間をさらに短縮することが可能である。しかし，その効果は顕著ではない。印加圧Ｐを３．０ＭＰａより大きくした場合には，一時に必要以上の大量の熱出力が発生し，水素吸蔵合金温度が急上昇して平衡水素圧Ｐｅが高くなるため，印加圧Ｐと平衡水素圧Ｐｅとの差が十分に確保できないためと推定している。
そこで，本例では，上記のごとく推定に基づいて，上記タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを２．５ＭＰａに設定している。
【００６６】
また，図５は，この実験条件において，横軸に平衡水素圧Ｐｅに対する印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰを，縦軸には熱交換媒体の暖機熱出力を示している。同図によれば，燃料電池１０の暖機に要する暖機熱量と目標暖機時間Ｔｉとから算出される暖機熱出力Ｑに基づいて，設定すべき供給圧ΔＰを求めることができる。
【００６７】
そして，この供給圧ΔＰのもと，暖機作業を実施すれば目標暖機時間Ｔｉ内に燃料電池１０の暖機を完了させることができる。
また，印加圧Ｐを一定とした場合にも，燃料電池１０の暖機熱量，印加圧Ｐ及び暖機作業に要する時間の関係を表す２次元マップデータを作製して，制御ＥＣＵのＲＯＭに格納しておけば，同様に燃料電池１０を暖機することができる。
【００６８】
このように，本例によれば，水素吸蔵合金に対して，適切な速度で水素を吸蔵させ，短時間で燃料電池１０の暖機作業を実施することができる。また，本例の水素吸蔵合金は，上記暖機作業において，適切な量の熱量を発生する。そのため，自由放熱されるエネルギーを少なくでき，上記燃料電池システム１全体のエネルギー効率を高く維持することができる。
なお，その他の構成及び作用効果については，実施例２と同様である。
また，水素吸蔵合金としては，常用温度における平衡水素圧Ｐｅと印加圧Ｐとの差圧が必要十分であればよい。本例の水素吸蔵合金のほか，ＡＢ５型合金と同等の平衡水素圧Ｐｅを持つ水素吸蔵合金，例えばＴｉＺｒＭｎ系などのＡＢ２型合金を適用することもできる。
【００６９】
（実施例４）
本例は，実施例１の構成を基にして，上記供給圧ΔＰの設定方法を変更した例である。
本例の燃料電池システム１は，上記燃料電池１０のＦＣ温度Ｔｆｃを一定の間隔でサンプリングしている。そして，その都度，水素吸蔵合金の水素吸蔵量Ｃ及び水素平衡圧Ｐｅを併せて算出している。
【００７０】
ここでは，ＦＣ温度Ｔｆｃをサンプリングするごとに，燃料電池１０の温度Ｔｆｃ（以下適宜ＦＣ温度という）と第２設定温度Ｔｏ２との偏差ΔＴ，及び目標暖機時間Ｔｉから経過時間を差し引いた残り暖機時間Ｔｒに基づいて，暖機熱出力Ｑを算出している。
具体的には，まず，燃料電池１０の熱容量に，第２設定温度Ｔｏ２とＦＣ温度Ｔｆｃとの偏差ΔＴを乗じ，さらに損失熱量を加算して暖機作業に必要となる暖機熱量を求めている。次いで，この暖機熱量を，残り暖機時間Ｔｒにより除して単位時間当たりの暖機熱出力Ｑを求めている。
【００７１】
そしてさらに，ＦＣ温度Ｔｆｃをサンプリングするごとに，この暖機熱出力Ｑを，上記平衡水素圧Ｐｅ及び上記水素吸蔵量Ｃと併せて上記数１，数２に代入している。そうすると，水素吸蔵合金の平衡水素圧Ｐｅに対する印加圧Ｐの相対圧力である供給圧ΔＰを随時更新して算出することができる。
そして，上記タンクレギュレータＲ１の規制圧Ｐｒを，平衡水素圧Ｐｅに上記供給圧ΔＰを加算した値となるように制御する。このようにして，タンクレギュレータＲ１により規制され，その規制圧Ｐｒと略一致した印加圧Ｐのもと，水素吸蔵合金タンク２へ水素供給する。
【００７２】
このように本例の燃料電池システム１は，上記暖機作業中において，上記燃料電池の温度Ｔｆｃをフィードバックして，常に適切に供給圧ΔＰを更新している。そして，この供給圧ΔＰと平衡水素圧Ｐｅとに基づいて制御される印加圧Ｐのもと水素吸蔵合金タンク２に水素を供給すると，水素吸蔵合金から常に適切な熱出力を発生させることができる。そのため，上記水素吸蔵合金で生じる熱出力を，きめ細かく制御して，さらに効率良く短時間に上記燃料電池を暖機することができる。
なお，本例のその他の構成及び作用効果については実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図２】実施例１における，暖機作業における制御フローを示す説明図。
【図３】実施例１における，再生作業における制御フローを示す説明図。
【図４】実施例３における，ＡＢ５よりなる水素吸蔵合金に対する印加圧と，燃料電池の暖機に要する時間との関係を示すシミュレーション結果。
【図５】実施例３における，ＡＢ５よりなる水素吸蔵合金に対する供給圧ΔＰと，燃料電池の暖機に要する時間との関係を示すシミュレーション結果。
【符号の説明】
１．．．燃料電池システム，１０．．．燃料電池，２．．．水素吸蔵合金タンク，３．．．水素タンク，４，６．．．熱媒経路，４０，６０．．．ポンプ，５１．．．バイパス流路，５３．．．メイン流路，７．．．水素用熱交換器，Ｖ１〜Ｖ３．．．開閉弁，Ｖ４．．．三方弁，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a fuel cell system that can be mounted on a fuel cell vehicle, for example.
[0002]
[Prior art]
For example, a fuel cell mounted on a fuel cell vehicle supplies hydrogen to a fuel electrode and oxygen to an oxidizer electrode, and performs an electrochemical reaction H through an electrolyte layer. ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ This is a system that generates power using O 2.
Water generated from the fuel cell is usually discarded to the outside together with unreacted gas. However, when the fuel cell is stopped, the generated water may remain in the gas flow passage. When a fuel cell vehicle is applied to a cold region or the like, if the outside air temperature falls below 0 ° C., which is the freezing point of water, water remaining in the gas flow passage freezes and blocks the gas flow passage. Therefore, there is a problem that the fuel gas does not flow and the fuel cell cannot be started.
[0003]
In particular, when the fuel cell is a solid molecular fuel cell (PEFC), water present on the electrolyte membrane or its surface may freeze at a low temperature, and power generation may not be possible or power generation efficiency may be reduced. Further, even if the PEFC is not frozen, it may be necessary to warm the temperature of the PEFC body to a steady operation temperature.
Therefore, conventionally, there has been proposed a fuel cell system provided with a function of heating the fuel cell main body by electric energy or combustion energy when starting from a low temperature.
[0004]
[Problem to be solved]
However, the above conventional fuel cell system has the following problems.
That is, in order to heat the fuel cell body using electric energy, a dedicated large-capacity battery is required, and in order to heat it using combustion energy, dedicated combustion equipment is required. . Therefore, the size of the fuel cell system increases. Furthermore, energy loss due to consumption of electric energy or combustion energy that does not contribute to power generation is large, and the energy efficiency of the entire fuel cell system is reduced.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and a fuel cell system capable of suppressing energy loss and performing startup at a low temperature in a short time, a control method of the fuel cell system, and a method of controlling the fuel cell system. It is intended to provide an onboard fuel cell vehicle.
[0006]
[Means for solving the problem]
A first invention is a fuel cell,
A hydrogen storage alloy tank connected to the fuel cell through a heat medium flow path for circulating a heat exchange medium and having a hydrogen storage alloy built therein;
A hydrogen tank capable of supplying hydrogen to the fuel cell and the hydrogen storage alloy tank,
When the power generation by the fuel cell is started, if the temperature Tfc of the fuel cell is lower than a predetermined temperature To, hydrogen is supplied from the hydrogen tank to the hydrogen storage alloy tank. It is configured to perform a warm-up operation in which hydrogen is stored in the hydrogen storage alloy to generate heat, and the generated heat is transmitted to the fuel cell by the heat exchange medium to raise the temperature of the fuel cell to a set temperature To. And
Further, in supplying hydrogen from the hydrogen tank to the hydrogen storage alloy tank in the warm-up operation, the hydrogen is calculated based on a deviation ΔT between the temperature Tfc of the fuel cell and a set temperature To and the heat capacity of the fuel cell. The applied pressure P, which is the absolute pressure at the time of supplying hydrogen, according to the warming heat output Q per unit time obtained by dividing the warming heat amount required for the warming-up operation by the target warming-up time Ti. The fuel cell system is characterized in that the fuel cell system is configured to set the following.
[0007]
The fuel cell system according to the first aspect of the present invention includes the hydrogen storage alloy tank connected to the fuel cell through a heat medium flow path that circulates the heat exchange medium while supplying hydrogen from the hydrogen tank. are doing. The first invention makes it possible to realize the warming-up operation by positively utilizing the heat generation characteristics when the hydrogen storage alloy contained in the hydrogen storage alloy tank stores hydrogen. is there.
[0008]
In performing the warm-up operation, the fuel cell system performs a unit time obtained by dividing a warm-up heat amount calculated based on the deviation ΔT and the heat capacity of the fuel cell by a target warm-up time Ti. The applied pressure P for supplying hydrogen to the hydrogen storage alloy tank is set according to the warm-up heat output Q per hit.
[0009]
Here, the warm-up heat amount is ideally an amount obtained by multiplying the heat capacity of the fuel cell by the deviation ΔT. However, in actual warming-up work, heat loss such as free heat radiation occurs. Therefore, the warming-up heat quantity is preferably calculated based on the heat capacity of the fuel cell and the deviation ΔT, taking into account the heat loss.
[0010]
If the applied pressure P is set according to the warm-up heat output Q thus calculated, the applied pressure P can be set appropriately according to the heat load of the warm-up operation. Then, even when the heat load of the warm-up operation is large, the hydrogen storage alloy can quickly absorb hydrogen, generate a large amount of heat, and quickly raise the temperature of the fuel cell.
As described above, according to the first aspect, it is possible to provide a fuel cell system that can start up at a low temperature in a short time while suppressing energy loss.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a fuel cell vehicle having a fuel cell system based on the first aspect of the present invention, wherein a drive motor is driven by electric power supplied from the fuel cell system. (Claim 6).
The fuel cell vehicle according to the second aspect of the present invention includes a drive motor. The drive motor is rotated by electric power generated by the fuel cell system according to the first aspect of the invention, and the rotational force is transmitted to a road surface. To run.
[0012]
Therefore, the fuel cell vehicle according to the second aspect of the present invention can efficiently perform the warm-up operation of the fuel cell at the time of a cold start by utilizing the amount of heat generated when the hydrogen storage alloy stores hydrogen.
As described above, according to the second aspect, it is possible to provide a fuel cell vehicle that can suppress energy loss and can start up at a low temperature in a short time.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the fuel cell system of the invention, during the warm-up operation, first, hydrogen is supplied from the hydrogen tank to the hydrogen storage alloy tank, and the built-in hydrogen storage alloy stores hydrogen to generate heat. Then, the generated heat is transmitted to the heat exchange medium and further transmitted from the heat exchange medium to the fuel cell, thereby increasing the temperature of the fuel cell. As described above, in the fuel cell system, the warm-up operation can be performed by using the hydrogen supplied from the hydrogen tank without introducing external electric energy or combustion energy. The hydrogen stored in the hydrogen storage alloy tank during the warm-up operation can be used as fuel for the fuel cell by the regeneration operation. Therefore, the warming-up work can be performed while suppressing energy loss.
[0014]
The hydrogen storage alloy contained in the hydrogen storage alloy tank is, for example, MmNi. ₅ (Mm is misch metal), rare earth alloys represented by Ti, titanium alloys represented by TiFe, Mg ₂ Various hydrogen storage alloys such as a magnesium alloy represented by Ni can be used.
[0015]
As the fuel cell in each of the above inventions, for example, a solid molecular fuel cell (PEFC) can be applied. In this PEFC, water present on the electrolyte membrane or its surface may freeze. In addition to the temperature at which moisture dissolves, a steady operating temperature at which efficient operation is possible is set. Therefore, it is very effective for the PEFC to perform the warm-up work.
It should be noted that it is of course possible to apply a fuel cell of a type other than the PEFC type.
[0016]
In the first aspect, the supply pressure ΔP, which is a relative pressure of the applied pressure P to the equilibrium hydrogen pressure Pe of the hydrogen storage alloy, and a reaction heat output Qmh generated by the hydrogen storage alloy are based on a reaction equation. Then, the supply pressure ΔP for making the reaction heat output Qmh equal to the warm-up heat output Q is calculated, and the warm-up operation is performed while setting the applied pressure P so as to maintain the supply pressure ΔP. It is preferable that it is performed (claim 2).
[0017]
The above-mentioned reaction equation is an empirical equation relating to the reaction rate of the hydrogen storage alloy obtained by a separate experiment, and is expressed by Equations 1 and 2. Equation (1) is an empirical formula expressing the relationship between the supply pressure ΔP, the hydrogen storage amount C and the equilibrium hydrogen pressure Pe, and the reaction rate V indicating the hydrogen storage amount per unit time. Equation 2 indicates that the reaction heat output Qmh generated from the hydrogen storage alloy can be calculated by the product of the reaction speed V and the reaction heat ΔH which is a characteristic value of the hydrogen storage alloy.
[0018]
(Equation 1)

[0019]
(Equation 2)

[0020]
Then, by substituting the warm-up heat output Q as the reaction heat output Qmh of the reaction equation, the supply pressure ΔP according to the hydrogen storage amount C and the equilibrium hydrogen pressure Pe can be obtained.
The equilibrium hydrogen pressure Pe of the hydrogen storage alloy can be estimated based on the alloy temperature of the hydrogen storage alloy. For example, if the relational expression between the alloy temperature of the hydrogen storage alloy and the equilibrium hydrogen pressure Pe is stored in the ROM in the control ECU, the measured alloy temperature is substituted into the above relational expression to calculate the equilibrium hydrogen pressure Pe. can do. If the value of the equilibrium hydrogen pressure Pe with respect to the alloy temperature is stored as one-dimensional map data, the equilibrium hydrogen pressure Pe can be obtained by referring to the one-dimensional map data based on the measured alloy temperature.
[0021]
Further, the hydrogen storage amount C can be estimated from the volume change of the hydrogen storage alloy that occurs according to the change in the hydrogen storage amount. In particular, when the hydrogen storage alloy tank is filled with a powdered hydrogen storage alloy, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-97931, a change in the volume of the hydrogen storage alloy powder occurs with the hydrogen storage. The contact area and contact state between adjacent hydrogen storage powders change, and the electrical resistance at the contact surface changes.
[0022]
That is, the electric resistance value in the hydrogen storage alloy tank filled with the hydrogen storage alloy powder changes according to the hydrogen storage amount C. Therefore, for example, if the relationship between the electric resistance value generated between a pair of electrodes arranged in a hydrogen storage alloy tank and the amount of hydrogen storage is previously determined experimentally, the electric resistance between the pair of electrodes can be determined. By measuring the value, the hydrogen storage amount C can be measured.
[0023]
When hydrogen is supplied under the applied pressure P whose relative pressure to the equilibrium hydrogen pressure Pe is the supply pressure ΔP, the amount of heat from the hydrogen storage alloy substantially coincides with the warm-up heat output Q during the warm-up operation. Can be continuously generated.
Further, the warm-up heat output Q can be transferred to the fuel cell to raise the temperature at a substantially constant speed. Therefore, the temperature of the fuel cell can efficiently reach the set temperature To in a short time.
[0024]
Further, it is preferable that the warm-up operation is performed while the applied pressure P set according to the warm-up heat output Q is kept constant.
In this case, a relatively large amount of heat can be generated immediately after the warming-up operation is started. Further, as the temperature Tfc of the fuel cell approaches the set temperature To, the amount of heat generated by the hydrogen storage alloy can be gradually reduced. Therefore, the warming-up operation of the fuel cell can be performed while improving the rise thereof so as not to cause overshoot when the temperature reaches the set temperature To.
[0025]
Further, the measurement is performed while measuring the temperature Tfc of the fuel cell as needed, and based on the measured temperature Tfc and the remaining warm-up time Tr obtained by subtracting the time elapsed from the target warm-up time, the warm-up heat is calculated. The output Q is calculated each time, and the supply pressure ΔP that makes the reaction heat output Qmh equal to the warm-up heat output Q is calculated based on the reaction formula, and the supply pressure ΔP is maintained so as to maintain the supply pressure ΔP. It is preferable that the warm-up operation is performed while setting the pressure P (claim 4).
[0026]
In this case, during the warming-up operation, by feeding back the temperature Tfc of the fuel cell and appropriately setting the supply pressure ΔP, it is possible to more appropriately generate heat output from the hydrogen storage alloy. . Therefore, the heat output generated by the hydrogen storage alloy can be finely controlled, and the fuel cell can be more efficiently warmed up in a short time.
[0027]
Further, the applied pressure P is preferably in a range of 0.8 MPa to 3.0 MPa (claim 5).
In this case, by supplying hydrogen to the hydrogen storage alloy tank under an applied pressure P of 0.8 to 3.0 MPa, hydrogen can be efficiently stored in the hydrogen storage alloy in a short time. .
[0028]
On the other hand, if the applied pressure P is less than 0.8 MPa, the heat output generated from the hydrogen storage alloy per unit time may be insufficient, and the fuel cell may not be heated quickly. Therefore, the pressure is more preferably 1.0 MPa or more.
On the other hand, when the applied pressure P exceeds 3.0 MPa, a large heat output is temporarily generated, which may cause overheating of the hydrogen storage alloy tank and the like. If the hydrogen storage alloy tank is overheated, the amount of heat released by free heat radiation increases, and the heat exchange efficiency may be deteriorated.
[0029]
【Example】
(Example 1)
A fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The fuel cell system 1 according to the present embodiment is mounted on a fuel cell vehicle. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 is connected to the fuel cell 10 via a heat medium flow path 4 for circulating a heat exchange medium. It has a hydrogen storage alloy tank 2 connected and containing a hydrogen storage alloy, and a hydrogen tank 3 capable of supplying hydrogen to the fuel cell 10 and the hydrogen storage alloy tank 2.
[0030]
When the temperature of the fuel cell 10 is lower than the predetermined set temperature To when starting the power generation by the fuel cell 10, the fuel cell system 1 of the present embodiment transfers hydrogen from the hydrogen tank 3 to the hydrogen storage alloy tank 2. Is supplied to the hydrogen storage alloy tank 2 to store heat in the hydrogen storage alloy to generate heat, and the generated heat is transmitted to the fuel cell 10 by the heat exchange medium to raise the temperature of the fuel cell 10 to the set temperature To. It is configured to perform a warm-up operation for raising.
[0031]
Further, in supplying hydrogen from the hydrogen tank 3 to the hydrogen storage alloy tank 2 in the warm-up operation, the hydrogen capacity of the fuel cell 10 is determined based on the deviation ΔT between the temperature Tfc of the fuel cell 10 and the set temperature To and the heat capacity of the fuel cell 10. Pressure P representing the absolute pressure for supplying hydrogen to the hydrogen storage alloy tank 2 according to the warming heat output Q per unit time obtained by dividing the warming heat amount calculated by the target warming time Ti. Is configured to be set. Hereinafter, this content will be described.
[0032]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of the present embodiment includes a main flow path 53 directly connecting the hydrogen tank 3 and the fuel cell 10, a hydrogen flow path, and a hydrogen storage alloy tank 2 as hydrogen flow paths. And a bypass flow passage 51 connected to the bypass passage 51.
The main flow path 53 and the bypass flow path 51 are provided branching from the same upstream flow path 50 connected to the hydrogen tank 3.
The upstream flow path 50, the bypass flow path 51, and the main flow path 53 are provided with on-off valves V0, V1, and V3 for opening and closing the respective flow paths.
[0033]
The upstream flow path 50 and the branched main flow path 53 are provided with a tank regulator R1 and a supply regulator R2 for regulating the hydrogen pressure, respectively. The tank regulator R1, which can be controlled from the outside, is configured so that its regulated pressure Pr can be set arbitrarily.
Further, the supply regulator R2 is configured to regulate the hydrogen pressure supplied to the fuel cell 10 via the main flow path 53 to a constant FC supply pressure Pfc lower than the regulation pressure Pr.
[0034]
As shown in FIG. 1, the heat medium flow path 4 for circulating the heat exchange medium includes a cell circulating section 41 circulating in the fuel cell 10, an MH circulating section 42 circulating in the hydrogen storage alloy tank 2, And a portion for circulating a cooling heat exchanger 43 for cooling the heat exchanger 10. As shown in the figure, a loop-shaped sub-circuit 402 including the MH circulator 42 is connected to two branch points 451 in a main circuit 401 in which the battery circulator 41 and the cooling exchanger 43 are connected in a loop. , 452 are connected in parallel.
[0035]
The main circuit 401 is provided with a pump 40 for flowing a heat exchange medium. Further, a bypass path 47 is provided in the main circuit 401, and a three-way valve V4 is provided at one branch point thereof. On the other hand, an on-off valve V2 is provided in the sub-circuit 402.
[0036]
The hydrogen storage alloy tank 2 contains a rare earth alloy (MmNi ₅ ) Is filled with a powdered hydrogen storage alloy. The temperature measuring means T1 for measuring the alloy temperature Tmh of the hydrogen storage alloy and the storage amount measuring means for measuring the hydrogen storage amount C of the hydrogen storage alloy for measuring the electric resistance value in the hydrogen storage alloy tank 2. A pair of electrodes (not shown) are provided. The storage amount measuring means can measure the hydrogen storage amount C by measuring the electric resistance between the pair of electrodes provided in the hydrogen storage alloy tank 2 filled with the hydrogen storage alloy. It is.
[0037]
Further, a one-dimensional map data indicating the relationship between the alloy temperature Tmh and the equilibrium hydrogen pressure Pe is stored in a ROM (storage element) of a control ECU (not shown) for controlling the fuel cell system 1. The control ECU is configured to obtain the equilibrium hydrogen pressure Pe with reference to the one-dimensional map data based on the measured alloy temperature Tmh.
[0038]
As the fuel cell 10, a solid molecular fuel cell (PEFC) was applied. As shown in FIG. 1, the fuel cell 10 is connected to a downstream flow path 54 for supplying hydrogen and an air supply path 59 for supplying air. Then, the fuel cell 10 uses the supplied hydrogen and the oxygen contained in the supplied air to perform an electrochemical reaction H through the electrolyte layer. ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ It is configured to generate power by advancing O 2.
[0039]
The hydrogen storage alloy held in the hydrogen storage alloy tank 2 is a rare earth alloy (MmNi ₅ ) Was used. As the hydrogen tank 3, a high-pressure hydrogen cylinder storing high-pressure hydrogen was used.
The fuel cell 10, the hydrogen storage alloy tank 2, and the hydrogen tank 3 can be changed to another type.
In the fuel cell 10, a temperature measuring means (not shown) for measuring the temperature Tfc is provided.
[0040]
Next, an example of a control method of the fuel cell system 1 having the above configuration will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a control flow when the warm-up work is performed.
FIG. 3 shows, for reference, a control flow when performing a regeneration operation for regenerating a hydrogen storage alloy. By performing this regeneration operation sufficiently, when the fuel cell 10 is cold-started next time, a sufficient amount of heat is generated, and the temperature of the fuel cell 10 can be quickly raised. That is, the regenerating operation of the hydrogen storage alloy is an indispensable operation for repeatedly performing the warming-up operation. Therefore, the procedure of the regeneration operation for regenerating the hydrogen storage alloy in the hydrogen storage alloy tank 2 in the fuel cell system 1 will also be described.
In these figures, the open state of the on-off valve is indicated by ○, and the closed state is indicated by × for easy understanding. The same applies hereinafter.
[0041]
In this example, two temperatures, a first set temperature To1 and a second set temperature To2, are set as the set temperature To of the fuel cell 10. The first set temperature To1 is set to 0 ° C., and the second set temperature To2 is set to a temperature at which the fuel cell 10 can operate efficiently. Note that the second set temperature To2 is a temperature higher than the first set temperature To1.
[0042]
In performing the warming-up operation, the warming-up heat output Q is calculated in advance based on the temperature Tfc (hereinafter, appropriately referred to as FC temperature) of the fuel cell 10, the second set temperature To2, and the target warming-up time Ti. It is. Specifically, first, the heat capacity of the fuel cell 10 is multiplied by the deviation ΔT between the second set temperature To2 and the FC temperature Tfc, and the heat loss is added to obtain the warm-up heat. Next, the warm-up heat output Q per unit time is obtained by dividing the warm-up heat amount by the target warm-up time Ti.
Further, this warming-up heat output Q is substituted into the above equations (1) and (2) together with the above-mentioned equilibrium hydrogen pressure Pe and the above-mentioned hydrogen storage amount C to obtain a supply pressure ΔP which is a relative pressure for supplying hydrogen to the hydrogen storage alloy. It has been calculated.
[0043]
In the warm-up operation, first, as shown in FIG. 2, it is determined in step S101 whether the FC temperature Tfc is equal to or lower than the first set temperature To1. If the FC temperature is equal to or lower than the first set temperature To1, the open / close state of the on-off valves V0 to V3 is set as shown in step S102, and the warm-up operation is started.
[0044]
That is, in step S102, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 3 by opening the on-off valve V0 so that hydrogen can be extracted from the hydrogen tank 3, and hydrogen is supplied to the hydrogen storage alloy tank 2 by opening the on-off valve V1.
Then, the regulation pressure Pr of the tank regulator R1 is controlled to a value obtained by adding the supply pressure ΔP to the equilibrium hydrogen pressure Pe. Then, hydrogen can be supplied to the hydrogen storage alloy tank 2 under the applied pressure P where the relative pressure to the equilibrium hydrogen pressure Pe of the hydrogen storage alloy is the supply pressure ΔP.
[0045]
In this way, hydrogen is supplied to the hydrogen storage alloy tank to cause the hydrogen storage alloy to store hydrogen and generate heat. Then, as shown in FIG. 1, the pump 40 is operated, and the on-off valve V2 is opened to circulate the heat exchange medium through the sub-circuit 402.
Then, the heat exchange medium circulates between the battery circulation unit 41 and the MH circulation unit 42. Then, the heat generated in the hydrogen storage alloy is transmitted to the fuel cell 10 to increase the FC temperature Tfc.
Then, as shown in FIG. 2, the state of step S102 is maintained until the FC temperature exceeds the first set temperature To1, and thereafter, the process proceeds to step S103 when the FC temperature exceeds the first set temperature To1. .
In step S103, it is determined whether the FC temperature Tfc is equal to or lower than the second set temperature To2. When the FC temperature is equal to or lower than the second set temperature To2, the open / close state of the on-off valves V0 to V3 is set as shown in step S104, and the fuel cell 10 is operated.
[0046]
That is, in step S104, the states of the on-off valves V0 and V1 set in step S102 are maintained. Further, as performed in S102, the control of the regulation pressure Pr of the tank regulator R1 is continued. Then, the supply of hydrogen to the hydrogen storage alloy tank 2 is continued to further generate heat in the hydrogen storage alloy.
[0047]
Also, the setting of the pump 40 and the on-off valve V2 is performed in the same manner as in step S102, and the circulation of the heat exchange medium between the battery circulation unit 41 and the MH circulation unit 42 is continued. In this way, the warm-up operation for raising the temperature of the fuel cell 10 is continued, while in step S104, the supply of hydrogen from the hydrogen tank 3 to the fuel cell 10 is started to operate the fuel cell 10.
[0048]
Specifically, the on-off valve V3 is opened, and hydrogen is supplied to the fuel cell 10 under the FC supply pressure Pfc regulated by the supply regulator R2. Thus, under the applied pressure P regulated by the tank regulator R1, hydrogen is supplied to the hydrogen storage alloy tank 2 to cause the hydrogen storage alloy to generate heat. Power can be generated by supplying hydrogen under the supply pressure Pfc.
Then, the state of step S104 is maintained until the FC temperature Tfc exceeds the second set temperature To2. When the FC temperature Tfc exceeds the second set temperature To2, the process proceeds to step S105, where the warm-up work is completed and the normal operation is performed.
[0049]
In step S105, the on-off valve V0 and the on-off valve V3 are kept open, while the on-off valve V1 and the on-off valve V2 are closed. That is, the flow path of hydrogen from the hydrogen tank 3 to the hydrogen storage alloy tank 2 and the flow path of the heat exchange medium between the battery circulation unit 41 and the MH circulation unit 42 are shut off. Thus, the normal operation of the fuel cell 10 is performed.
[0050]
Next, as shown in FIG. 3, the regeneration operation is performed after the normal operation of the fuel cell 10 is continued and the FC temperature Tfc is sufficiently increased.
In this regeneration operation, first, in step S201, it is determined whether or not the FC temperature Tfc is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts. If the FC temperature Tfc is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts, the condition shown in step S202 is further determined.
In step S202, it is determined whether the hydrogen storage amount C stored in the hydrogen storage alloy is equal to or greater than a specified amount. If it is not less than the specified amount, the open / close state of the on-off valves V1 and V2 is set as shown in step S203, and the regeneration operation is performed.
[0051]
In step S203, as shown in FIG. 1, the heat exchange medium is circulated between the battery circulating unit 41 and the MH circulating unit 42 by opening the on-off valve V2 and operating the pump 40. . In this way, the exhaust heat of the fuel cell 10 is transferred to the hydrogen storage alloy to raise the temperature and release hydrogen. Further, the tank regulator R1 sets the regulation pressure Pr to the same value as the FC supply pressure Pfc, and regulates the applied pressure P to Pfc. Further, when the on-off valve V1 is opened, the pressure in the hydrogen storage alloy tank 2 is reduced to the FC supply pressure Pfc, thereby facilitating the release of hydrogen from the hydrogen storage alloy.
[0052]
The hydrogen released from the hydrogen storage alloy in this way flows out of the hydrogen storage alloy tank 2, joins the main flow path 53 via the bypass flow path 51, and is supplied to the fuel cell 10. . Therefore, during the regeneration operation, the fuel cell 10 is operated with hydrogen being supplied from the hydrogen storage alloy tank 2 and the hydrogen tank 3 at the same time.
Then, as shown in FIG. 3, when the FC temperature is equal to or higher than the regeneration reference temperature Ts and the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy is equal to or greater than the specified amount, the state of step S203 is maintained and the regeneration operation is performed. Is performed continuously. Thereafter, as in step S202, when the hydrogen storage amount of the hydrogen storage alloy falls below the specified amount, the regeneration operation ends. If the FC temperature falls below the regeneration reference temperature Ts, the regeneration operation is interrupted and the operation returns to the normal operation state. Specifically, as shown in step S204, the on-off valves V1 and V2 are closed.
[0053]
As described above, the fuel cell system 1 of the present embodiment can realize the warming-up operation by positively utilizing the characteristic of generating heat when the hydrogen storage alloy stores hydrogen.
That is, in the warming-up operation, first, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 3 to the hydrogen storage alloy tank 2, and the built-in hydrogen storage alloy stores hydrogen to generate heat. Then, the generated heat is transmitted to the fuel cell via the heat exchange medium to increase the temperature Tfc of the fuel cell 10. As described above, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the warm-up operation can be performed using the hydrogen supplied from the hydrogen tank 3 without introducing external electric energy or combustion energy.
[0054]
Further, the fuel cell system 1 of this embodiment controls the regulation pressure Pr of the tank regulator R1 to a value obtained by adding the supply pressure ΔP to the equilibrium hydrogen pressure Pe of the hydrogen storage alloy contained in the hydrogen storage alloy tank 2. ing. Then, under the applied pressure P regulated by the regulation pressure Pr, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 3 to the hydrogen storage alloy tank 2 to perform a warm-up operation.
[0055]
Therefore, the supply pressure ΔP, which is the relative pressure of the applied pressure P with respect to the hydrogen equilibrium pressure Pe, is kept substantially constant, and hydrogen is stored in the hydrogen storage alloy. Therefore, the storage of hydrogen proceeds at a substantially constant speed, and a substantially constant heat output can be continuously generated from the hydrogen storage alloy. Then, the heat output of the fuel cell 10 is transmitted through a heat exchange medium circulating between the MH circulating unit 42 and the battery circulating unit 41, and the temperature of the fuel cell 10 is raised at a substantially constant rate.
[0056]
In addition, since the supply pressure ΔP is controlled to be substantially constant during the warming-up operation, a sudden large heat output does not occur in the hydrogen storage alloy. Therefore, the amount of heat generated by the hydrogen storage alloy exceeds the heat transfer capacity of the MH circulating unit 42, the battery circulating unit 41, and the heat exchange medium, so that the hydrogen storage alloy tank 2 containing the hydrogen storage alloy is overheated. There is nothing. Therefore, energy loss due to free heat radiation from the hydrogen storage alloy tank 2 can be suppressed.
As described above, according to the first aspect, it is possible to provide a fuel cell system capable of suppressing energy loss and performing startup at a low temperature in a short time.
[0057]
The fuel cell system 1 according to the present embodiment regenerates the hydrogen storage alloy storing the hydrogen by performing the warming-up operation by using the exhaust heat generated from the fuel cell 10 in the normal operation state. Therefore, according to the present embodiment, the regeneration of the hydrogen storage alloy can be efficiently performed. Therefore, even at the time of the next cold start, a sufficient amount of heat can be extracted from the hydrogen storage alloy, and a quick warm-up operation can be performed. Further, instead of the control method of the present embodiment, by changing the opening / closing switching timing of each of the on-off valves V0 to V3 and the three-way valve V4, the regulation pressure of the supply regulator R2, and the like, a further control method can be adopted. You can also.
[0058]
Further, an approximate relational expression between the alloy temperature Tmh and the equilibrium hydrogen pressure Pe may be stored in the ROM of the control ECU that controls the fuel cell system 1 instead of the one-dimensional map data. In this case, the equilibrium hydrogen pressure Pe can be obtained using the approximate relational expression.
[0059]
Furthermore, two-dimensional map data representing the relationship between the equilibrium hydrogen pressure Pe with respect to the hydrogen storage alloy temperature Tmh and the hydrogen storage amount C may be stored in the ROM of the control ECU. In this case, the control ECU can accurately calculate the equilibrium hydrogen pressure Pe by referring to the two-dimensional map data based on the measured alloy temperature Tmh and the hydrogen storage amount C.
In measuring the alloy temperature Tm of the hydrogen storage alloy, the temperature of the heat exchange medium immediately after passing through the MH circulating unit 42 is measured, and this temperature can be used as the alloy temperature Tmh.
[0060]
(Example 2)
This embodiment is an example in which the control method of the applied pressure P is changed based on the configuration of the first embodiment.
In the fuel cell system 1 of the present embodiment, when starting a warm-up operation, first, a warm-up heat output Q is calculated. Then, an applied pressure P for supplying hydrogen to the hydrogen storage alloy tank 2 is set according to the warm-up heat output Q.
In this example, the warm-up operation of the fuel cell 10 is performed without changing the setting of the applied pressure P.
Here, the supply pressure ΔP is calculated by substituting the warm-up heat output Q into the above equations 1 and 2 together with the equilibrium hydrogen pressure Pe and the hydrogen storage amount C. Based on the supply pressure ΔP, the applied pressure P is set so that the relative pressure with respect to the equilibrium hydrogen pressure Pe becomes ΔP.
[0061]
According to the fuel cell system 1 of the present embodiment, a relatively large heat output can be generated immediately after the warm-up operation is started. Further, as the temperature Tfc of the fuel cell approaches the set temperature To, the heat output generated by the hydrogen storage alloy can be gradually reduced. Therefore, in the warm-up operation of the fuel cell, it is possible to achieve both startup characteristics and suppression of overshoot when the temperature reaches the second set temperature.
[0062]
The other configuration and operation and effect are the same as those of the first embodiment.
[0063]
(Example 3)
This example is an example in which the regulated pressure Pr of the tank regulator R1 is set based on the relationship between the applied pressure P regulated by the tank regulator R1 and the time required for the warm-up operation, based on the configuration of the second embodiment.
Therefore, first, an experiment was conducted to clarify the relationship between the applied pressure P and the time required for the warm-up operation.
In this example, an AB5 type alloy, MmNi, was used as the hydrogen storage alloy. ₅ -A Bx type (Mm: misch metal composed of La, Ce, Pr, Nd, etc., B: Al, Mn, etc.) was adopted. This hydrogen storage alloy has a hydrogen storage equilibrium hydrogen pressure of 2.0 MPa or less at a normal temperature (usually 10 to 50 ° C.).
[0064]
The hydrogen storage alloy tank 2 is formed by storing a hydrogen storage heat exchanger having finned flat heat medium pipes together with hydrogen storage alloy powder in a square cylindrical hydrogen storage exchanger case. What was used was used.
A heat exchange medium of 20 L / min is circulated in the heat medium pipe of the hydrogen storage heat exchanger to absorb the heat generated by the hydrogen storage alloy, thereby obtaining a fuel cell 10 having a heat capacity of 50 (kJ / K). The temperature was raised to -15 to 0 ° C. FIG. 4 shows the results of this experiment. In the figure, the horizontal axis shows the applied pressure P, and the vertical axis shows the time required for warming up.
[0065]
According to the graph shown in FIG. 4, when the fuel cell 10 is warmed up by the hydrogen storage alloy, if the applied pressure P of hydrogen is less than 0.8 MPa, the time required for the warming-up operation is sharply increased. I understand.
On the other hand, if the applied pressure P is larger than 3.0 MPa, the time required for the warm-up work can be further reduced. However, the effect is not remarkable. When the applied pressure P is higher than 3.0 MPa, a large amount of heat output is generated more than necessary at one time, and the temperature of the hydrogen storage alloy rapidly rises to increase the equilibrium hydrogen pressure Pe. It is estimated that the difference from the pressure Pe cannot be sufficiently ensured.
Therefore, in this example, the regulation pressure Pr of the tank regulator R1 is set to 2.5 MPa based on the estimation as described above.
[0066]
FIG. 5 shows the supply pressure ΔP, which is the relative pressure of the applied pressure P to the equilibrium hydrogen pressure Pe, on the horizontal axis and the warm-up heat output of the heat exchange medium on the vertical axis under these experimental conditions. According to the figure, the supply pressure ΔP to be set can be obtained based on the warm-up heat output Q calculated from the warm-up heat required for warming up the fuel cell 10 and the target warm-up time Ti.
[0067]
If the warm-up operation is performed under the supply pressure ΔP, the warm-up of the fuel cell 10 can be completed within the target warm-up time Ti.
Further, even when the applied pressure P is fixed, two-dimensional map data representing the relationship between the amount of warming-up heat of the fuel cell 10, the applied pressure P, and the time required for the warm-up operation is created and stored in the ROM of the control ECU. If so, the fuel cell 10 can be similarly warmed up.
[0068]
As described above, according to the present embodiment, hydrogen can be absorbed into the hydrogen storage alloy at an appropriate speed, and the warm-up operation of the fuel cell 10 can be performed in a short time. Further, the hydrogen storage alloy of the present embodiment generates an appropriate amount of heat in the warm-up operation. Therefore, the amount of free heat radiation can be reduced, and the energy efficiency of the entire fuel cell system 1 can be maintained high.
The other configuration and operation and effect are the same as those of the second embodiment.
Further, as the hydrogen storage alloy, a differential pressure between the equilibrium hydrogen pressure Pe and the applied pressure P at a normal temperature may be sufficient. In addition to the hydrogen storage alloy of this example, a hydrogen storage alloy having an equilibrium hydrogen pressure Pe equivalent to that of the AB5 type alloy, for example, an AB2 type alloy such as a TiZrMn-based alloy can also be used.
[0069]
(Example 4)
This embodiment is an example in which the method of setting the supply pressure ΔP is changed based on the configuration of the first embodiment.
In the fuel cell system 1 of this embodiment, the FC temperature Tfc of the fuel cell 10 is sampled at regular intervals. Each time, the hydrogen storage amount C of the hydrogen storage alloy and the hydrogen equilibrium pressure Pe are calculated together.
[0070]
Here, every time the FC temperature Tfc is sampled, the remaining warm-up time obtained by subtracting the elapsed time from the target warm-up time Ti and the deviation ΔT between the temperature Tfc of the fuel cell 10 (hereinafter referred to as FC temperature as appropriate) and the second set temperature To2. The warm-up heat output Q is calculated based on the machine time Tr.
Specifically, first, the heat capacity of the fuel cell 10 is multiplied by the deviation ΔT between the second set temperature To2 and the FC temperature Tfc, and the heat loss is added to determine the warm-up heat required for the warm-up operation. I have. Next, the warm-up heat output Q per unit time is obtained by dividing the warm-up heat amount by the remaining warm-up time Tr.
[0071]
Further, every time the FC temperature Tfc is sampled, the warm-up heat output Q is substituted into the above equations 1 and 2 together with the above-mentioned equilibrium hydrogen pressure Pe and the above-mentioned hydrogen storage amount C. Then, the supply pressure ΔP, which is the relative pressure of the applied pressure P to the equilibrium hydrogen pressure Pe of the hydrogen storage alloy, can be updated and calculated as needed.
Then, the regulation pressure Pr of the tank regulator R1 is controlled to be a value obtained by adding the supply pressure ΔP to the equilibrium hydrogen pressure Pe. In this way, hydrogen is supplied to the hydrogen storage alloy tank 2 under the applied pressure P which is regulated by the tank regulator R1 and substantially coincides with the regulated pressure Pr.
[0072]
As described above, during the warm-up operation, the fuel cell system 1 of the present embodiment always feeds back the temperature Tfc of the fuel cell to appropriately update the supply pressure ΔP. When hydrogen is supplied to the hydrogen storage alloy tank 2 under an applied pressure P controlled based on the supply pressure ΔP and the equilibrium hydrogen pressure Pe, an appropriate heat output can always be generated from the hydrogen storage alloy. . Therefore, the heat output generated by the hydrogen storage alloy can be finely controlled, and the fuel cell can be more efficiently warmed up in a short time.
The other configuration, operation and effect of this embodiment are the same as those of the first embodiment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a control flow in a warm-up operation in the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a control flow in a reproduction operation according to the first embodiment.
FIG. 4 is a simulation result showing the relationship between the pressure applied to the hydrogen storage alloy made of AB5 and the time required for warming up the fuel cell in Example 3.
FIG. 5 is a simulation result showing the relationship between the supply pressure ΔP to the hydrogen storage alloy AB5 and the time required for warming up the fuel cell in the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1. . . Fuel cell system, 10. . . Fuel cell, 2. . . Hydrogen storage alloy tank, 3. . . Hydrogen tank, 4,6. . . Heating medium path, 40, 60. . . Pump, 51. . . Bypass channel, 53. . . Main flow path, 7. . . Heat exchanger for hydrogen, V1 to V3. . . On-off valve, V4. . . Three-way valve,

Claims

A fuel cell,
A hydrogen storage alloy tank connected to the fuel cell through a heat medium flow path for circulating a heat exchange medium and having a hydrogen storage alloy built therein;
A hydrogen tank capable of supplying hydrogen to the fuel cell and the hydrogen storage alloy tank,
When the power generation by the fuel cell is started, if the temperature Tfc of the fuel cell is lower than a predetermined temperature To, hydrogen is supplied from the hydrogen tank to the hydrogen storage alloy tank. It is configured to perform a warm-up operation in which hydrogen is stored in the hydrogen storage alloy to generate heat, and the generated heat is transmitted to the fuel cell by the heat exchange medium to raise the temperature of the fuel cell to a set temperature To. And
Further, in supplying hydrogen from the hydrogen tank to the hydrogen storage alloy tank in the warm-up operation, the hydrogen is calculated based on a deviation ΔT between the temperature Tfc of the fuel cell and a set temperature To and the heat capacity of the fuel cell. The applied pressure P, which is the absolute pressure at the time of supplying hydrogen, according to the warming heat output Q per unit time obtained by dividing the warming heat amount required for the warming-up operation by the target warming-up time Ti. The fuel cell system is configured to set

In claim 1, based on a reaction equation representing a relationship between a supply pressure ΔP, which is a relative pressure of the applied pressure P to an equilibrium hydrogen pressure Pe of the hydrogen storage alloy, and a reaction heat output Qmh generated by the hydrogen storage alloy. The supply pressure ΔP that makes the reaction heat output Qmh equal to the warm-up heat output Q is calculated, and the warm-up operation is performed while setting the applied pressure P so as to maintain the supply pressure ΔP. A fuel cell system comprising:

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the warm-up operation is performed while the applied pressure P set according to the warm-up heat output Q is kept constant.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the temperature is measured while the temperature Tfc of the fuel cell is being measured as needed, and based on the measured temperature Tfc and a remaining warm-up time Tr obtained by subtracting a time elapsed from the target warm-up time. The warm-up heat output Q is calculated each time, and the supply pressure ΔP for making the reaction heat output Qmh equal to the warm-up heat output Q is calculated based on the reaction equation, and the supply pressure ΔP is maintained. A fuel cell system configured to perform the warm-up operation while setting the applied pressure P to the fuel cell system.

4. The fuel cell system according to claim 3, wherein the applied pressure P is in a range from 0.8 MPa to 3.0 MPa.

A fuel cell vehicle, comprising the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the fuel cell vehicle is configured to operate a drive motor with electric power supplied from the fuel cell system.