JP2004228038A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【0002】
【従来の技術】
従来より、水素と空気(酸素)との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池では、発電に伴い内部で水分が発生する。また、高分子型電解質膜を有する固体高分子型燃料電池では、電解質膜の導電性を向上させる目的で、外部から水分供給が行われている。冬期等の低温環境下では、これらの燃料電池内に存在する水分が凍結してしまい、燃料電池が始動しないあるいは出力が低下するという問題がある。
【0003】
このため、例えば電気自動車に搭載される燃料電池システムでは、予め外部の熱源(商用電源等)を用いて電気ヒータで燃料電池を保温しておく方法や、加熱ヒータを車両に搭載して始動時に燃料電池を昇温する方法等がとられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図1は燃料電池の温度に対する燃料電池の出力特性を示すもので、図1中の▲1▼は、燃料電池の発電効率が高くなる運転条件(温度80℃、湿度100%)で燃料電池を作動させた後、温度を低下させた場合の、温度低下過程での出力特性である。
【0005】
図1中の▲4▼は、上記した燃料電池の発電効率が高くなる運転条件で運転後、運点を停止して0℃以下まで冷やしこんだ後、雰囲気温度を上昇させて燃料電池の温度が0℃以上となった状態で運転を再開した場合の、温度上昇過程での出力特性であり、この出力特性▲4▼は出力特性▲1▼に近似する。
【0006】
また、図1中の▲2▼、▲3▼は、上記した燃料電池の発電効率が高くなる運転条件で運転後0℃以下まで冷やしこみ、0℃以下の低温環境下で燃料電池を運転させた場合の、燃料電池の温度が0℃以上での温度上昇過程での出力特性である。因みに、出力特性▲2▼は、セルの全面を同時に昇温させた場合のものであり、出力特性▲3▼は、複数のセルのすべてにおける一部の部位を水分が凍結しない温度まで集中的に加熱した後、複数のセルにおける残りの部位の加熱を行う暖機方法を実施したときのものである。
【0007】
そして、燃料電池の温度が0℃の時の出力特性▲2▼、▲3▼の出力は、出力特性▲1▼の出力に対して大きな変動幅を持つ。これは低温環境下で発電した場合、発電に伴う生成水が燃料電池の触媒層、拡散層で氷結するために、反応ガスの拡散が阻害され燃料電池の出力が低下するためである。また、0℃以上まで昇温させた際の出力特性▲2▼、▲3▼の出力が、出力特性▲1▼の出力まで回復しないのは、氷結した生成水が解凍後も触媒層、拡散層に滞留するためである。
【0008】
すなわち、低温環境下で燃料電池を発電させた場合、発電に伴う生成水が触媒層、拡散層に滞留するため燃料電池の出力が低下し、温度に対してヒステリシスを持つことになる。但し、飽和蒸気圧が高くなる60℃〜70℃まで昇温させると生成水は蒸気となって排出が促進されるため、高温域ではヒステリシスが小さくなる。
【0009】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、低温始動時に燃料電池を昇温させる燃料電池システムにおいて、低温始動時に所定の出力が短時間で得られるようにすることを目的とする。
【0010】
【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、積層された複数のセル(10a)を有するとともに、セル(10a)にて水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池(10)を備え、温度が低下する際の燃料電池(10)の出力を温度低下時出力とし、温度が上昇する際の燃料電池(10)の出力を温度上昇時出力としたとき、温度低下時出力よりも温度上昇時出力の方が低くなるヒステリシスを有する燃料電池システムであって、燃料電池(10)を暖機運転する際に、複数のセル(10a)のすべてにおける一部の部位を、温度低下時出力に対する温度上昇時出力の割合が所定値以上になる温度まで集中的に加熱した後、複数のセル(10a)における残りの部位の加熱を行うことを特徴とする。
【0011】
これによると、温度低下時出力に対する温度上昇時出力の割合が所定値以上になる温度までセルの一部の部位を集中的に加熱するため、一部の部位は発電作用にとって良好な環境に速やかに制御される。したがって、一部の部位で出力密度の高い安定した発電を短時間のうちに実行させることが可能になり、結果的に低温始動時に所定の出力が短時間で得られるようになる。
【0012】
また、一部の部位での発電による自己発熱を利用して残りの部位の加熱を行うことができる。これにより、暖機運転に必要な熱量が小さくなるので、低温環境下において小型の熱源により燃料電池を短時間で昇温させることができる。
【0013】
請求項2に記載の発明では、積層された複数のセル(10a)を有するとともに、セル(10a)にて水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池(10)を備え、温度が低下する際の燃料電池(10)の出力を温度低下時出力とし、温度が上昇する際の燃料電池(10)の出力を温度上昇時出力としたとき、温度低下時出力よりも温度上昇時出力の方が低くなるヒステリシスを有する燃料電池システムであって、燃料電池(10)を暖機運転する際に、複数のセル(10a)のすべてにおける一部の部位を水分が凍結しない第1設定温度まで集中的に加熱した後、複数のセル(10a)における残りの部位の加熱を行う第1暖機方法と、燃料電池(10)を暖機運転する際に、複数のセル(10a)のすべてにおける一部の部位を、温度低下時出力に対する温度上昇時出力の割合が所定値以上になる第2設定温度まで集中的に加熱した後、複数のセル(10a)における残りの部位の加熱を行う第2暖機方法とを、条件に応じて選択的に実行することを特徴とする。
【0014】
ところで、第1暖機方法によれば、発電可能領域を速やかに拡大することができ、第2暖機方法によれば、セルの一部の部位で出力密度の高い安定した発電を短時間のうちに実行することが可能になる。そして、2つの暖機方法のいずれかを条件に応じて選択することにより、各種条件下で低温始動時に所定の出力が短時間で得られるようになる。
【0015】
なお、請求項2の発明の実施に際しては、請求項3に記載の発明のように、複数のセル(10a)のすべての部位を第1設定温度まで加熱した状態での燃料電池(10)の推定出力と、複数のセル(10a)のすべてにおける一部の部位を第2設定温度まで集中的に加熱した状態での燃料電池(10)の推定出力とを、記複数のセル(10a)のすべてにおける一部の部位を第1設定温度まで集中的に加熱した時点で推定し、2つの推定出力を比較して2つの暖機方法のいずれかを選択することができる。
【0016】
請求項4に記載の発明では、複数のセル(10a)のそれぞれに対して熱媒体を循環させる熱媒体循環経路(20)と、熱媒体循環経路(20)に循環する熱媒体の流量を制御する熱媒体循環手段(24)と、熱媒体を加熱する加熱手段(33)と、熱媒体循環経路(20)に設けられ、熱媒体を複数のセル(10a)のそれぞれにおいて一部の部位のみを循環させ、他の部位をバイパスさせるバイパス経路(30)と、熱媒体のバイパス流量を制御する流路制御手段(31)とを備えることを特徴とする。
【0017】
これによると、バイパス経路によりセルの一部の部位のみに加熱された熱媒体を循環させて部分的な加熱を行うことができる。また、一部の部位の集中加熱が完了した後は、熱媒体を燃料電池全体に循環させることで、発電により生じた熱を燃料電池全体に伝えて燃料電池全体を加熱することができる。このような構成によれば、従来より燃料電池システムに備えられている冷却システムにわずかな構成要素を付加するだけで、燃料電池の部分的な加熱を行うことができる。
【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、本発明を適用した第1実施形態を図2、図3に基づいて説明する。本第1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。
【0020】
図2は、本第1実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図2に示すように、本第1実施形態の燃料電池システムは、燃料電池10、水素供給装置12、空気供給装置13、加熱冷却システム20〜33、制御部40等を備えている。
【0021】
燃料電池(FCスタック)10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10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10aが複数積層されて構成されている。各セル10a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10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)H2→2H++2e−
(酸素極側)2H++1/2O2+2e−→H2O
燃料電池10には、発電した電力を取り出すための集電板10b、10cが設けられている。発電した電力は、インバータ(電力変換手段)11を介して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次電池の充電等に用いられる。
【0022】
燃料電池10には、水素供給装置12より水素が供給され、空気供給装置13から酸素を含んだ空気が供給されるように構成されている。水素供給装置12としては、例えば改質装置あるいは水素貯蔵タンクを用いることができ、空気供給装置13としては、例えば断熱圧縮機であるエアコンプレッサを用いることができる。燃料電池10に供給された空気のうち反応に用いられなかった未反応空気は、排ガスとして燃料電池10より排出される。燃料電池10に供給された水素のうち反応に用いられなかった未反応水素は、図示を省略しているが、循環され再利用される。
【0023】
発電時の化学反応のために、燃料電池10内部の電解質膜が水分を含んだ状態にしておく必要がある。このため、図示しない加湿器等により予め加湿された水素および空気が燃料電池10に供給され、燃料電池10内の電解質膜が加湿される。
【0024】
燃料電池10では、発電の際の化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池10は高い発電効率を得るために運転中は所定の温度(例えば80℃程度)に維持する必要がある。このため、燃料電池システムには、熱媒体を用いて燃料電池10で発生した熱を系外に放出する冷却システム20〜26が設けられている。なお、本第1実施形態では、熱媒体として低温環境下で凍結しない不凍液冷却水を用いている。
【0025】
冷却システムには、冷却水を燃料電池10に循環させるための熱媒体循環経路20、冷却水を冷却するための熱交換手段であるラジエータ21が設けられている。燃料電池10を通過した冷却水は熱媒体流路20を介してラジエータ21に循環し、ここで外気(大気)と熱交換され冷却される。冷却水は、燃料電池10を構成する各セル10aの内部を循環するように構成されている。
【0026】
また、冷却システムには、冷却水をラジエータ21をバイパスさせるためのラジエータバイパス経路22、冷却水の流路をラジエータ21側あるいはラジエータバイパス経路22側に切り替える三方弁23、冷却水を循環させる熱媒体循環手段としての第1ウォータポンプ24、燃料電池10に流入する冷却水の温度(以下、入口温度という)を検出する第1温度センサ25、燃料電池10を通過した冷却水の温度(以下、出口温度という)を検出する第2温度センサ26が設けられている。第2温度センサ26では、燃料電池10の全体温度を間接的に検出できる。
【0027】
さらに、本第1実施形態の燃料電池システムでは、低温環境下における燃料電池10の早期始動のために燃料電池10を昇温させる加熱システム30〜33が設けられている。本第1実施形態における加熱システムは、上記冷却システムと一体的に設けられている。
【0028】
主経路である熱媒体循環経路20には、冷却水を複数のセル10aのすべてにおける一部の部位(以下、セル10aの局部という)のみに循環させ、他の部位をバイパスさせるバイパス経路30が設けられている。
【0029】
バイパス経路30には、冷却水を循環させる第2ウォータポンプ31が設けられている。この第2ウォータポンプ31の回転数を制御することにより、バイパス経路30を循環する冷却水の流量、すなわち、バイパス流量を制御でき、第2ウォータポンプ31は本発明の流路制御手段に相当する。
【0030】
バイパス経路30における燃料電池10出口近傍には、燃料電池10を通過した冷却水の温度を検出する第3温度センサ32が設けられている。この第3温度センサ32により冷却水温度を検出することで、燃料電池10のうち加熱された冷却水にて昇温された部位、すなわちセル10aの局部の温度(以下、局部温度という)を間接的に検出することができる。
【0031】
ラジエータバイパス経路22には、冷却水を加熱するためのヒータ33が設けられている。ヒータ33は、本発明の加熱手段に相当し、電気式ヒータあるいは燃焼式ヒータ等を用いることができる。
【0032】
本第1実施形態の燃料電池システムには、各種制御を行う制御部40が設けられている。制御部40には、3つの温度センサ25、26、32からセンサ信号が入力され、インバータ11、水素供給装置12、空気供給装置13、三方弁23、第1ウォータポンプ24、第2ウォータポンプ31、ヒータ33に制御信号を出力するように構成されている。
【0033】
次に、上記構成の燃料電池システムの低温環境下での始動時の作動(暖機運転方法)について図3のフローチャートに基づいて説明する。
【0034】
まず、第2温度センサ26により出口温度を検出し(ステップS10)、出口温度が第1設定温度より低いか否かを判定する(ステップS11)。因みに、第1設定温度は、水分が凍結しないで燃料電池10の発電が可能となる温度であり、本第1実施形態では0℃に設定している。そして、出口温度が第1設定温度より低い場合には、燃料電池10が発電不可能な状態であるため、セル10aの局部を集中的に昇温させる局部暖機運転を行う。
【0035】
まず、第1ウォータポンプ24および第2ウォータポンプ31を作動させて冷却水を燃料電池10に循環させるとともに(ステップS12)、ヒータ33を作動させて冷却水を加熱することにより(ステップS13)、燃料電池10を暖機する。
【0036】
次に、第3温度センサ32により局部温度を検出する(ステップS14)。また、第1温度センサ25により検出される入口温度が目標入口温度0℃となる冷却水流量を、局部温度と目標入口温度との温度差およびヒータ33による加熱量に基づいて算出するとともに、その算出結果に基づいて冷却水流量を制御する(ステップS15)。
【0037】
このとき、熱媒体循環経路20の冷却水循環量とバイパス経路30の冷却水循環量とが一致するように、2つのウォータポンプ24、31の回転数を制御することにより、ヒータ33にて加熱されたすべての冷却水がバイパス経路30に流れる。これにより、燃料電池10を構成する各セル10aにおいて、発電面の一部のみに冷却水を循環させて、セル10aの局部のみを集中的に加熱することができる。本第1実施形態では、燃料電池10内部における図2中の上方側のみに冷却水が循環する。この結果、燃料電池10のうち冷却水が循環する部位の近傍のみを集中的に昇温させることができる。
【0038】
次に、第3温度センサ32により局部温度を検出し(ステップS16)、局部温度が第1設定温度より高いか否かを判定し(ステップS17)、局部温度が第1設定温度に達するまでステップS16、17を繰り返し行う。
【0039】
次に、局部温度が第1設定温度に達すると、第3温度センサ32により検出される局部温度の第2設定温度Ttを設定する(ステップS18)。因みに、温度が低下する際の燃料電池10の出力を温度低下時出力とし、温度が上昇する際の燃料電池10の出力を温度上昇時出力としたとき、温度低下時出力よりも温度上昇時出力の方が低くなるが、第2設定温度Ttは、温度低下時出力に対する温度上昇時出力の割合が所定値以上になる温度であり、本第1実施形態では80℃に設定している。
【0040】
次に、第3温度センサ32により局部温度を検出する(ステップS19)。また、第2設定温度Ttが80℃となる冷却水流量を、局部温度と第2設定温度Ttとの温度差およびヒータ33による加熱量に基づいて算出するとともに、その算出結果に基づいて冷却水流量を制御する(ステップS20)。
【0041】
次に、第3温度センサ32により局部温度を検出し(ステップS21)、局部温度が第2設定温度Ttより高いか否かを判定し(ステップS22)、局部温度が第2設定温度Ttを超えるまでステップS21、22を繰り返し行う。燃料電池10において局部温度が第2設定温度Ttを超えた部位は、発電作用にとって良好な環境であり、その部位では出力密度の高い安定した発電が行われる。
【0042】
以上のステップS10〜22が局部暖機運転であり、局部温度が第2設定温度Ttを超えると局部暖機運転を終了し、ステップS23にて連鎖暖機運転を行う。因みに、連鎖暖機運転は、局部暖機運転にてセル10aの局部を集中的に昇温させた後、セル10aにおける残りの部位の加熱を行うことである。
【0043】
ステップS23では、第1ウォータポンプ24の回転数を上げ、第2ウォータポンプ31の回転数を下げる。これにより、熱媒体循環経路20の冷却水循環量が増加し、バイパス経路30の冷却水循環量が減少するため、冷却水がセル10aの局部以外の部位にも流れてセル10a全体が暖機される。このとき、発電により生じた熱は、燃料電池10内部を循環する冷却水によりセル10a全体に伝えられる。これにより、セル10aの局部での発電に伴う自己発熱を有効に利用して、セル10a全体の暖機を行うことができる。
【0044】
セル10a全体の暖機が完了すると、以後、熱媒体循環経路20を循環する冷却水の流量や温度を制御して、燃料電池10を発電効率のよい所定温度(70〜80℃程度)に保持する。
【0045】
本第1実施形態によれば、温度低下時出力に対する温度上昇時出力の割合が所定値以上になる温度までセル10aの一部の部位を集中的に加熱するため、一部の部位は発電作用にとって良好な環境に速やかに制御される。したがって、一部の部位で出力密度の高い安定した発電を短時間のうちに実行させることが可能になり、結果的に低温始動時に所定の出力が短時間で得られるようになる。
【0046】
また、一部の部位での発電による自己発熱を利用して残りの部位の加熱を行うことができる。これにより、暖機運転に必要な熱量が小さくなるので、低温環境下において小型の熱源により燃料電池を短時間で昇温させることができる。
【0047】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図4に基づいて説明する。本第2実施形態は、上記第1実施形態と比較して暖機運転方法が異なり、燃料電池システムの全体構成は第1実施形態と同一である。
【0048】
本第2実施形態の低温環境下での始動時の作動(暖機運転方法)について図4のフローチャートに基づいて説明する。図4において、ステップS10〜17までは第1実施形態と同一であり、燃料電池10の局部温度が第1設定温度(0℃)に達するまでセル10aの局部のみを集中的に加熱する。
【0049】
次に、局部温度が第1設定温度に達した時点における燃料電池10の出力を制御部40で算出する(ステップS31)。次に、ステップS31で算出した出力と、予め制御部40内に記憶されている温度−出力特性マップから、セル10aの全面が0℃になった場合の第1推定出力P1を演算し(ステップS32)、また、セル10aの局部のみを第2設定温度Ttまで昇温させた場合の第2推定出力P2を演算する(ステップS33)。
【0050】
次に、両推定出力P1、P2を比較し(ステップS34)、第1推定出力P1の方が大きい場合は第1暖機方法を実行し(ステップS35)、第2推定出力P2の方が大きい場合は第2暖機方法を実行する(ステップS36)。
【0051】
因みに、第1暖機方法は、燃料電池10の局部温度が第1設定温度に達した時点で局部暖機運転から連鎖暖機運転に移行するもので、第1暖機方法によれば、発電可能領域を速やかに拡大することができる。一方、第2暖機方法は、燃料電池10の局部温度が第2設定温度に達した時点で局部暖機運転から連鎖暖機運転に移行するもので、第2暖機方法によれば、セル10aの一部の部位で出力密度の高い安定した発電を短時間のうちに実行することが可能になる。
【0052】
本第2実施形態によれば、推定出力が大きい方の暖機方法を選択して実行することにより、各種条件下で低温始動時に所定の出力が短時間で得られるようになる。
【0053】
(他の実施形態)
なお、上記各実施形態では、冷却水温度を検出する第3温度センサ32で間接的にセル10aの局部温度を検出するように構成したが、これに限らず、燃料電池10のうち局部暖機運転時に集中的に加熱される部位に温度センサを設け、直接的にセル10aの局部温度を検出するように構成してもよい。
【0054】
また、上記各実施形態では、ヒータ33をラジエータバイパス経路22に設けたが、これに限らず、熱媒体循環経路20上やバイパス経路30上に設けてもよい。
【0055】
また、第2ウォータポンプ31の代わりに四方弁を熱媒体循環経路20とバイパス経路30の交点に配置しても上記実施形態と同様の作用効果を達成することができる。即ち、四方弁の開閉により流量分配を行うことができ、従って第2ウォータポンプ31を使用した場合と同様の作用効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池の温度と出力特性との関係を示す図である。
【図2】第1実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図3】第1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。
【図4】第2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】
10…燃料電池、10a…セル、33…ヒータ(加熱手段)。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system that generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to moving objects such as vehicles, ships, and portable generators.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and air (oxygen) has been known. In a fuel cell, water is generated internally with power generation. In a polymer electrolyte fuel cell having a polymer electrolyte membrane, water is supplied from the outside in order to improve the conductivity of the electrolyte membrane. In a low-temperature environment such as winter, there is a problem that the moisture present in these fuel cells freezes, and the fuel cells do not start or the output decreases.
[0003]
For this reason, for example, in a fuel cell system mounted on an electric vehicle, a method of keeping the fuel cell warm by an electric heater using an external heat source (commercial power supply or the like) in advance, or a method of mounting the heater on the vehicle and A method of raising the temperature of the fuel cell and the like have been adopted.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 1 shows the output characteristics of the fuel cell with respect to the temperature of the fuel cell. In FIG. 1, (1) indicates the fuel under operating conditions (temperature: 80 ° C., humidity: 100%) at which the power generation efficiency of the fuel cell becomes high. This is an output characteristic in a temperature decreasing process when the temperature is decreased after operating the battery.
[0005]
(4) in FIG. 1 indicates that the fuel cell was operated under the above-described operating conditions under which the power generation efficiency of the fuel cell was high, the running point was stopped and cooled down to 0 ° C. or less, and then the temperature of the fuel cell was increased by increasing the ambient temperature. Is the output characteristic in the process of increasing the temperature when the operation is restarted in the state where the temperature becomes 0 ° C. or higher, and this output characteristic (4) is similar to the output characteristic (1).
[0006]
Further, (2) and (3) in FIG. 1 indicate that the fuel cell is cooled down to 0 ° C. or less after the operation under the above-mentioned operating conditions under which the power generation efficiency of the fuel cell is increased, and the fuel cell is operated in a low temperature environment of 0 ° C. or less. FIG. 6 shows output characteristics in a temperature rise process when the temperature of the fuel cell is 0 ° C. or higher when the temperature is higher than 0 ° C. Incidentally, the output characteristic (2) is obtained when the entire surface of the cell is simultaneously heated, and the output characteristic (3) is obtained by intensively arranging a part of the plurality of cells to a temperature at which moisture does not freeze. This is when a warming-up method is performed in which the remaining portions of the plurality of cells are heated after the heating.
[0007]
The output of the output characteristics (2) and (3) when the temperature of the fuel cell is 0 ° C. has a large fluctuation width with respect to the output of the output characteristic (1). This is because, when power is generated in a low-temperature environment, water generated by the power generation freezes on the catalyst layer and the diffusion layer of the fuel cell, so that the diffusion of the reaction gas is inhibited and the output of the fuel cell is reduced. Further, the output of the output characteristics (2) and (3) when the temperature is raised to 0 ° C. or higher does not recover to the output of the output characteristic (1). This is to stay in the layer.
[0008]
That is, when the fuel cell generates power in a low-temperature environment, the water generated by the power generation stays in the catalyst layer and the diffusion layer, so that the output of the fuel cell decreases and the temperature has hysteresis. However, when the temperature is raised to 60 ° C. to 70 ° C. at which the saturated vapor pressure becomes high, the generated water becomes steam and the discharge is promoted, so that the hysteresis becomes small in a high temperature range.
[0009]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that raises the temperature of a fuel cell at a low temperature start so that a predetermined output can be obtained in a short time at a low temperature start.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a fuel cell having a plurality of stacked cells (10a) and obtaining electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen in the cells (10a). (10), the output of the fuel cell (10) when the temperature decreases is defined as the output when the temperature is decreased, and the output of the fuel cell (10) when the temperature is increased is defined as the output when the temperature is increased. A fuel cell system having a hysteresis in which an output during temperature rise is lower than an hourly output, and when a fuel cell (10) is warmed up, a part of all cells (10a) is partially removed. After heating intensively to a temperature at which the ratio of the output at the time of temperature rise to the output at the time of temperature decrease becomes equal to or more than a predetermined value, the remaining portions of the plurality of cells (10a) are heated.
[0011]
According to this, since a part of the cell is intensively heated to a temperature at which the ratio of the output at the time of temperature rise to the output at the time of temperature decrease becomes equal to or higher than a predetermined value, some parts are promptly placed in a favorable environment for power generation. Is controlled. Therefore, stable power generation with a high output density can be executed in a short time in some parts, and as a result, a predetermined output can be obtained in a short time at a low temperature start.
[0012]
Further, the remaining portion can be heated by utilizing self-heating generated by power generation in some portions. As a result, the amount of heat required for the warm-up operation is reduced, so that the temperature of the fuel cell can be increased in a short time by a small heat source in a low-temperature environment.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, a fuel cell (10) having a plurality of stacked cells (10a) and obtaining electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen in the cells (10a) is provided. When the output of the fuel cell (10) at the time of temperature decrease is defined as the output at the time of temperature decrease, and the output of the fuel cell (10) at the time of temperature increase is defined as the output at the time of temperature rise, the output of the fuel cell is higher than the output at the time of temperature decrease. A fuel cell system having a hysteresis whose output is lower, wherein a first setting in which moisture is not frozen in a part of all of the plurality of cells (10a) when the fuel cell (10) is warmed up. A first warm-up method of heating the remaining portions of the plurality of cells (10a) after intensively heating to a temperature, and a heating operation of the plurality of cells (10a) when the fuel cell (10) is warmed up. Some parts of everything A second warming-up method of intensively heating to a second set temperature at which the ratio of the output at the time of temperature rise to the output at the time of temperature decrease becomes equal to or more than a predetermined value, and then heating the remaining portions in the plurality of cells (10a); Is selectively executed according to conditions.
[0014]
By the way, according to the first warming-up method, the power generation possible area can be quickly expanded, and according to the second warming-up method, stable power generation with high output density can be achieved in a part of the cell in a short time. It will be possible to do it at home. By selecting one of the two warm-up methods according to the conditions, a predetermined output can be obtained in a short time at a low temperature start under various conditions.
[0015]
In carrying out the invention of claim 2, the fuel cell (10) in a state where all parts of the plurality of cells (10a) are heated to the first set temperature as in the invention of claim 3 The estimated output and the estimated output of the fuel cell (10) in a state where all the parts of all of the cells (10a) are intensively heated to the second set temperature are described. It is possible to estimate when a part of all is intensively heated to the first set temperature, and compare the two estimated outputs to select one of the two warm-up methods.
[0016]
In the invention according to
[0017]
According to this, the heating medium heated to only a part of the cell by the bypass path can be circulated to perform partial heating. Further, after the concentrated heating of a part of the fuel cell is completed, the heat generated by the power generation can be transmitted to the entire fuel cell by circulating the heat medium throughout the fuel cell, thereby heating the entire fuel cell. According to such a configuration, it is possible to partially heat the fuel cell by adding only a few components to the cooling system conventionally provided in the fuel cell system.
[0018]
In addition, the code | symbol in the parenthesis of each said means shows the correspondence with the concrete means described in embodiment mentioned later.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell system according to the first embodiment is applied to an electric vehicle (fuel cell vehicle) that runs using a fuel cell as a power source.
[0020]
FIG. 2 shows the overall configuration of the fuel cell system according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the fuel cell system according to the first embodiment includes a
[0021]
The fuel cell (FC stack) 10 generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. In the first embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the
(Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e -
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The
[0022]
The
[0023]
Due to a chemical reaction during power generation, the electrolyte membrane inside the
[0024]
In the
[0025]
The cooling system is provided with a heat
[0026]
The cooling system also includes a
[0027]
Further, in the fuel cell system of the first embodiment,
[0028]
The heat
[0029]
The
[0030]
A
[0031]
The
[0032]
The fuel cell system according to the first embodiment is provided with a
[0033]
Next, an operation (a warm-up operation method) of the fuel cell system having the above configuration at the time of starting in a low-temperature environment will be described with reference to a flowchart of FIG.
[0034]
First, the outlet temperature is detected by the second temperature sensor 26 (Step S10), and it is determined whether the outlet temperature is lower than the first set temperature (Step S11). Incidentally, the first set temperature is a temperature at which the
[0035]
First, the
[0036]
Next, the local temperature is detected by the third temperature sensor 32 (Step S14). Further, the cooling water flow rate at which the inlet temperature detected by the
[0037]
At this time, by controlling the rotation speeds of the two water pumps 24 and 31 so that the cooling water circulation amount of the heat
[0038]
Next, the local temperature is detected by the third temperature sensor 32 (Step S16), and it is determined whether or not the local temperature is higher than the first set temperature (Step S17). Steps are performed until the local temperature reaches the first set temperature. S16 and S17 are repeated.
[0039]
Next, when the local temperature reaches the first set temperature, a second set temperature Tt of the local temperature detected by the
[0040]
Next, the local temperature is detected by the third temperature sensor 32 (Step S19). Further, the cooling water flow rate at which the second set temperature Tt becomes 80 ° C. is calculated based on the temperature difference between the local temperature and the second set temperature Tt and the amount of heating by the
[0041]
Next, the local temperature is detected by the third temperature sensor 32 (step S21), and it is determined whether the local temperature is higher than the second set temperature Tt (step S22), and the local temperature exceeds the second set temperature Tt. Steps S21 and S22 are repeated until the above. A portion of the
[0042]
The above steps S10 to S22 are the local warm-up operation. When the local temperature exceeds the second set temperature Tt, the local warm-up operation is terminated, and the chain warm-up operation is performed in step S23. Incidentally, the chain warm-up operation is to heat the remaining portion of the
[0043]
In step S23, the rotation speed of the
[0044]
After the
[0045]
According to the first embodiment, since a part of the
[0046]
Further, the remaining portion can be heated by utilizing self-heating generated by power generation in some portions. As a result, the amount of heat required for the warm-up operation is reduced, so that the temperature of the fuel cell can be increased in a short time by a small heat source in a low-temperature environment.
[0047]
(2nd Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment differs from the first embodiment in the warm-up operation method, and the overall configuration of the fuel cell system is the same as the first embodiment.
[0048]
The operation at the time of starting (warm-up operation method) in a low-temperature environment according to the second embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. In FIG. 4, steps S10 to S17 are the same as in the first embodiment, and only the local part of the
[0049]
Next, the
[0050]
Next, the two estimated outputs P1 and P2 are compared (step S34), and if the first estimated output P1 is larger, the first warm-up method is executed (step S35), and the second estimated output P2 is larger. In this case, the second warming-up method is executed (Step S36).
[0051]
Incidentally, the first warming-up method shifts from the local warming-up operation to the chain warming-up operation when the local temperature of the
[0052]
According to the second embodiment, by selecting and executing the warming-up method having the larger estimated output, a predetermined output can be obtained in a short time at a low temperature start under various conditions.
[0053]
(Other embodiments)
In the above embodiments, the
[0054]
Further, in each of the above embodiments, the
[0055]
Further, even if a four-way valve is arranged at the intersection of the heat
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the temperature of a fuel cell and output characteristics.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the entire configuration of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
10: fuel cell, 10a: cell, 33: heater (heating means).
Claims (4)
温度が低下する際の前記燃料電池(10)の出力を温度低下時出力とし、温度が上昇する際の前記燃料電池(10)の出力を温度上昇時出力としたとき、温度低下時出力よりも温度上昇時出力の方が低くなるヒステリシスを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池(10)を暖機運転する際に、前記複数のセル(10a)のすべてにおける一部の部位を、前記温度低下時出力に対する前記温度上昇時出力の割合が所定値以上になる温度まで集中的に加熱した後、前記複数のセル(10a)における残りの部位の加熱を行うことを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell (10) having a plurality of stacked cells (10a) and obtaining electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen in the cells (10a);
When the output of the fuel cell (10) at the time of temperature decrease is defined as the output at the time of temperature decrease, and the output of the fuel cell (10) at the time of temperature increase is defined as the output at the time of temperature rise, the output is lower than the output at the time of temperature decrease. A fuel cell system having hysteresis in which the output at the time of temperature rise is lower,
During the warm-up operation of the fuel cell (10), a part of all of the plurality of cells (10a) is set to a temperature at which the ratio of the output at the time of temperature rise to the output at the time of temperature decrease becomes a predetermined value or more. The fuel cell system according to claim 1, further comprising heating the remaining portions of the plurality of cells (10a) after intensive heating.
温度が低下する際の前記燃料電池(10)の出力を温度低下時出力とし、温度が上昇する際の前記燃料電池(10)の出力を温度上昇時出力としたとき、温度低下時出力よりも温度上昇時出力の方が低くなるヒステリシスを有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池(10)を暖機運転する際に、前記複数のセル(10a)のすべてにおける一部の部位を水分が凍結しない第1設定温度まで集中的に加熱した後、前記複数のセル(10a)における残りの部位の加熱を行う第1暖機方法と、前記燃料電池(10)を暖機運転する際に、前記複数のセル(10a)のすべてにおける一部の部位を、前記温度低下時出力に対する前記温度上昇時出力の割合が所定値以上になる第2設定温度まで集中的に加熱した後、前記複数のセル(10a)における残りの部位の加熱を行う第2暖機方法とを、条件に応じて選択的に実行することを特徴とする燃料電池システム。A fuel cell (10) having a plurality of stacked cells (10a) and obtaining electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen in the cells (10a);
When the output of the fuel cell (10) at the time of temperature decrease is defined as the output at the time of temperature decrease, and the output of the fuel cell (10) at the time of temperature increase is defined as the output at the time of temperature rise, the output is lower than the output at the time of temperature decrease. A fuel cell system having hysteresis in which the output at the time of temperature rise is lower,
When warming up the fuel cell (10), after intensively heating a part of all of the plurality of cells (10a) to a first set temperature at which moisture does not freeze, the plurality of cells (10a) are heated. A first warming-up method for heating the remaining part in 10a), and a temperature reduction in a part of all of the plurality of cells (10a) during the warm-up operation of the fuel cell (10). A second warming-up method of heating the remaining portion of the plurality of cells (10a) after intensively heating to a second set temperature at which the ratio of the temperature rise output to the hourly output becomes a predetermined value or more. And a fuel cell system selectively executed according to conditions.
前記熱媒体循環経路(20)に循環する前記熱媒体の流量を制御する熱媒体循環手段(24)と、
前記熱媒体を加熱する加熱手段(33)と、
前記熱媒体循環経路(20)に設けられ、前記熱媒体を前記複数のセル(10a)のそれぞれにおいて一部の部位のみを循環させ、他の部位をバイパスさせるバイパス経路(30)と、
前記熱媒体のバイパス流量を制御する流路制御手段(31)とを備えることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。A heat medium circulation path (20) for circulating a heat medium in each of the plurality of cells (10a);
A heat medium circulating means (24) for controlling a flow rate of the heat medium circulating in the heat medium circulation path (20);
Heating means (33) for heating the heat medium;
A bypass path (30) provided in the heat medium circulation path (20), for circulating the heat medium only in a part of each of the plurality of cells (10a) and bypassing other parts;
The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a flow path control unit (31) for controlling a bypass flow rate of the heat medium.
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