JP2004234895A

JP2004234895A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2004234895A
Application number: JP2003018999A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Sato; 大介佐藤
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of being warmed up in a shorter time when a pump of the same capacity is used than a conventional system warming up by the use of a pump for air supply without the need of a new component specially for warming up. <P>SOLUTION: The fuel cell system 10 supplies hydrogen in a hydrogen storage tank 25 to the anode electrode side of a fuel cell 11 by the use of a hydrogen circulation pump 24, and hydrogen exhausted from a hydrogen exhaust port of the fuel cell 11 is used in circulation together with the hydrogen supplied from the hydrogen storage tank 25. For the hydrogen circulation pump 24, a pump capable of pressurizing is used, and the hydrogen is circulated in a hydrogen circulation channel at warming up, and at the same time, the hydrogen circulation pump 24 is controlled so as to have a compression ratio higher than a proper ratio at normal operation to make the pressure of the hydrogen higher than at the normal operation. After the end of warming up, the hydrogen circulation pump 24 has its compression ratio controlled so that the pressurized state of the hydrogen kept in a pressurized state at the normal operation. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは低温環境で使用される際の少なくとも始動時に所定の温度以上に暖機するための構成に特徴を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源等として、クリーンでエネルギー効率の優れた燃料電池が注目されている。燃料電池は、周知のように、酸素と水素とを化学反応させることで生じる起電力を利用するものである。そして、カソード側に酸素を供給するとともに、アノード側に水素を供給し、水素と酸素とを反応させることによって、化学エネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので、優れた変換効率が得られる。
【０００３】
燃料電池にはいくつかの種類があるが、自動車に使用するには小型で高出力であることが要求され、固体高分子型燃料電池が好適に使用される。固体高分子型燃料電池は、所定の温度（８０〜９０℃程度）で効率よく発電が行われる。燃料電池は発熱反応のため、発電を開始して所定時間経過すれば、環境温度が低くても効率良く発電を継続できるが、発電開始時に低温（例えば、５℃以下）では発電できないか極めて効率が悪い。従って、冬の屋外等での燃料電池の始動時には、燃料電池を少なくとも発電開始可能な温度まで暖める必要があり、好ましくは効率良く運転を継続できる温度まで暖める暖機装置が必要になる。また、燃料電池の通常運転時には燃料電池の発熱反応に伴う熱で燃料電池の温度が、効率良く発電できる温度より高くなるのを防ぐ必要もある。
【０００４】
従来、炭化水素の改質で生成した水素を燃料とする燃料電池において、燃料電池の始動時に、供給ガスあるいは排出ガスを燃焼させて、改質装置の温度を改質用燃料の改質反応に適した温度に加熱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段と、燃料電池セルに供給する空気を加熱するヒータとを設け、始動時に温度検出手段の検出温度に基づいてヒータの発熱量を制御するようにした装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、燃料電池の暖機を行う際に、暖機専用のヒータを必要としない燃料電池システムの暖機装置が提案されている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）。特許文献３に記載の燃料電池の暖機装置は、排出空気の熱を利用して熱交換器により供給空気を加熱するとともに、排出空気の管路に三方弁を設け、排出空気を供給空気の管路に戻すことが可能に構成されている。また、燃料電池からの排出空気を圧送するコンプレッサを備えている。従って、暖機を行う際に、コンプレッサの圧縮により排出空気の温度を高めて、その排出空気を供給空気の管路に戻すことができる。
【０００７】
特許文献４に記載の燃料電池システムの暖機装置は、燃料電池に対して供給空気を供給するコンプレッサを有し、コンプレッサと燃料電池との間には、供給空気を流す主流路が形成され、主流路には供給空気を冷却する放熱器が設けられている。また、コンプレッサから供給される供給空気を、放熱器を迂回して燃料電池に供給するバイパス通路が設けられている。さらに、空気通路と水素通路との間に、供給空気の熱を供給水素に伝達する熱交換器が設けられている。そして、供給空気を冷却する必要がある燃料電池システムの通常運転時には供給空気を放熱器を介して燃料電池に供給し、暖機が必要な時には、バイパス通路を介して供給空気を燃料電池に供給する。
【０００８】
また、燃料電池の水素供給源として純度の高い水素を使用する構成では、一般に水素循環ポンプを設けて、燃料電池からの排出水素を水素供給源からの水素に混合して燃料電池に供給する循環経路が設けられている。そして、水素循環ポンプには、エジェクタ式のものが使用されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−６３１０４号公報（明細書の段落［００２１］、［００４１］〜［００４３］、図３）
【特許文献２】
特開２００２−９３４４５号公報（明細書の段落［００２８］〜［００３０］、図１）
【特許文献３】
特開２００２−５６８７１号公報（明細書の段落［００２６］、［００４１］、［００５８］、図１）
【特許文献４】
特開２００２−３０５０１３号公報（明細書の段落［００２５］、［００３７］、［００５８］、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の方法では、燃料電池の特徴の一つであるクリーンという利点にとってマイナスとなる。また、特許文献２の装置では、ヒータの熱源に電池を使用するため、暖機のためだけに電力を使用することになり、燃料電池を自動車に搭載した場合、その走行距離が短くなる。また、暖機専用の装置を設けるためその分の配置スペースを確保する必要があるため、燃料電池システム全体が大型化する。
【００１１】
特許文献３に記載の燃料電池発電システムでは、燃料電池で使用されて酸素の一部が水素と反応した後の排出ガスを循環可能に構成されている。従って、暖機の際には排出ガスを循環させることにより、コンプレッサで加圧されることによって発生した熱が、燃料電池を暖めるのに有効に使用される。発電をせずに燃料電池を暖めるだけの目的であれば、排出ガスを循環させるのは有効である。しかし、低温で燃料電池が発電を開始した場合は、燃料電池に新しい空気（酸素）の供給が必要となり、排出ガスの燃料電池への戻し量を少なくする必要があり、酸素供給と、排出ガスの循環による燃料電池の昇温とを同時に行うのが難しい。
【００１２】
特許文献４に記載の燃料電池発電システムでは、空気通路と水素通路との間に、供給空気の熱を供給水素に伝達する熱交換器を設けた構成のため、暖機を行う際、水素電極側においても燃料電池を暖めることができる。しかし、余分な熱交換器が必要となり、装置が大型化する。
【００１３】
また、従来、水素循環ポンプにはエジェクタ式のものが使用されているため、水素を加圧して温度を高めることはできず、水素を加圧してその発熱を暖機に使用することを示唆する記載はなかった。
【００１４】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、暖機専用の新たな構成部品を追加することなく、空気供給用のポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、同じ容量のポンプを使用した場合に短時間で暖機が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池の水素電極側に水素源の水素を、ポンプを利用して供給する水素供給手段を備えた燃料電池システムである。前記燃料電池で使用されなかった水素を前記水素供給手段の水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路を備え、前記ポンプに水素を加圧可能なポンプが使用されている。暖機時には前記水素循環経路で水素を循環させるとともに、通常運転時の適正な圧縮比より前記ポンプの圧縮比を高くして運転を行う。「通常運転時の適正な圧縮比」とは、暖機時以外の燃料電池の運転状態において、カソード電極（酸素電極）側の酸素の圧力に対応するアノード電極（水素電極）側の水素の圧力を確保するのに必要な圧力に水素を加圧するために必要な圧縮比を意味する。
【００１６】
この発明では、暖機時には、燃料電池で使用されなかった水素が水素循環経路で循環されるとともに、通常運転時の適正な圧縮比よりポンプの圧縮比を高くして運転がおこなわれる。従って、ポンプが通常運転時の適正な圧縮比で運転された場合より高圧になるまで水素が加圧され、加圧の際に発生する熱量が大きくなる。そして、通常運転時の適正な圧縮比で運転された場合より高温の水素がポンプから吐出されて燃料電池に供給され、燃料電池が暖められる。
【００１７】
空気と水素のガス特性を考慮すると、空気の方が熱容量が大きく、同じ循環量であれば、一度に運ぶ熱量は水素に比較して大きい。しかし、水素は空気に比較して、熱伝導率が高く、また、分子が小さいため、同容量のポンプで同じ圧損の閉回路を循環させた場合、水素の方が小さなエネルギーで大きな流量を循環させることができる。従って、暖機専用の新たな構成部品を追加することなく、空気ポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、同じ容量のポンプを使用した場合に短時間で暖機が可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、燃料電池の水素電極側に水素源の水素を、ポンプを利用して供給する水素供給手段を備えた燃料電池システムである。前記燃料電池で使用されなかった水素を前記水素供給手段の水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路を備え、前記ポンプに水素を加圧可能なポンプが使用されている。暖機時には前記水素循環経路で水素を循環させるとともに、前記ポンプを駆動するモータの回転速度を通常運転時の適正な回転速度より高めて運転を行う。「通常運転時の適正な回転速度」とは、暖機時以外の燃料電池の運転状態において、カソード電極（酸素電極）側の酸素の圧力に対応するアノード電極（水素電極）側の水素の圧力を確保するのに必要な圧力に水素を加圧するようにポンプを運転するために必要なモータの回転速度を意味する。
【００１９】
この発明では、暖機時には、燃料電池で使用されなかった水素が水素循環経路で循環されるとともに、通常運転時の適正な回転速度よりポンプを駆動するモータの回転速度を高めて運転が行われる。従って、ポンプから単位時間当たりに吐出される水素の量が増加され、燃料電池を暖めるために水素から供給される単位時間当たりの熱量が増加し、通常運転時の適正な回転速度でポンプを運転する場合に比較して、燃料電池を短時間で暖めることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記燃料電池で使用されなかった水素は通常運転時も水素循環経路により循環される。この発明では、通常運転時に、燃料電池の水素電極（アノード電極で）で使用されなかった水素を再利用できるため、燃料の効率が高くなる。また、燃料電池に供給する水素の量を、アノード電極で使用されずに燃料電池の外部に排出される量が少なくなるように制御する必要がなく、燃料電池に供給する水素の量の制御が容易になる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、暖機が終了した時に前記ポンプの運転条件を通常運転時の運転条件に自動的に変更する変更手段を備えている。この発明では、暖機が終了すると、ポンプによる水素の加圧が、変更手段により通常運転時の加圧に自動的に変更される。従って、暖機終了後に燃料電池を暖めるという無駄なエネルギーの使用が防止される。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記変更手段は、燃料電池の温度を直接又は間接的に検出するセンサの検出信号に基づき、燃料電池の温度が所定温度に達すると前記ポンプの運転条件を通常運転時の運転条件に変更する。ここで「燃料電池の温度を間接的に検出する」とは、燃料電池システム又は燃料電池システムの一部の温度を検出して、その検出温度から燃料電池の温度を求めることを意味する。この発明では、暖機の終了時期の判断が、燃料電池の温度に基づいてなされるため、暖機の終了時期の判断が正確になされ、ポンプの圧縮比やポンプを駆動するモータの回転速度等の運転条件の変更が適切になされる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１及び図２に従って説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図であり、図２は燃料電池セルの模式分解断面図である。
【００２４】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１１、水素供給手段１２、酸素供給手段１３、燃料電池冷却手段１４及び制御装置１５を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素供給手段１２から供給される水素と、酸素供給手段１３から供給される酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。
【００２５】
燃料電池１１は、図２に示すような、燃料電池セル１６を多数直列に積層連結することにより構成されている。燃料電池セル１６は、電解質膜（イオン交換膜）１７を挟んで、水素電極としてのアノード電極１８と、酸素電極としてのカソード電極１９とが配置され、その外側にガスケット１６ａ及びセパレータ２０，２１が配設される構成となっている。そして、多数の燃料電池セル１６が図示しない通しボルトにより締め付けられて、スタックが構成されている。各セパレータ２０，２１の電極と対向する側にはそれぞれ複数の溝２０ａ，２１ａが平行に形成されている。この実施の形態では、アノード電極１８と対向する溝２０ａの数が、カソード電極１９と対向する溝２１ａの数より多く形成されている。各溝２０ａとアノード電極１８で構成される水素通路の方が、溝２１ａとカソード電極１９で構成される空気通路より流路の断面積が小さく、各流路を構成する壁面の合計面積は、水素通路の方が空気通路より大きく形成されている。
【００２６】
水素供給手段１２は、燃料電池１１の水素供給ポートに管路２２を介して連結され、燃料電池１１の水素排出ポートに管路２３を介して連結されたポンプとしての水素循環ポンプ２４と、水素源（水素ガス供給源）としての水素タンク２５とを備えている。水素循環ポンプ２４はモータＭにより駆動される。水素タンク２５は途中にレギュレータ２６を備えた管路２７を介して管路２２に連結されている。レギュレータ２６は、水素タンク２５に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。管路２３、水素循環ポンプ２４及び管路２２により、燃料電池１１で使用されなかった水素を水素供給手段１２の水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路が構成されている。
【００２７】
水素循環ポンプ２４には水素を加圧可能なポンプが使用され、この実施の形態ではスクロール型コンプレッサが使用され、制御装置１５からの指令によって圧縮力（圧縮比）を制御可能に構成されている。制御装置１５は暖機が終了した時に水素循環ポンプ２４の運転条件を通常運転時の運転条件に自動的に変更する変更手段を構成する。
【００２８】
制御装置１５は、始動時から所定時間経過するまでは、水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時の適正な圧縮比より高くなるように運転制御し、所定時間経過後に、水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時の適正な圧縮比で運転するように制御する。即ち、制御装置１５は、始動時から所定時間経過するまでは、水素循環ポンプ２４を通常運転時より高圧の水素を吐出するように運転制御し、所定時間経過後に、水素循環ポンプ２４を通常運転時の加圧状態で運転するように制御する。前記所定時間は、予め実験により求められた値に設定されている。
【００２９】
酸素供給手段１３は、燃料電池１１の酸素供給ポートに管路２８を介して連結されたコンプレッサ２９を備えている。コンプレッサ２９は図示しないエアクリーナでゴミ等が除去された空気を圧縮して管路２８に吐出するようになっている。コンプレッサ２９も圧縮力が変更可能に構成されている。燃料電池１１の空気排出ポートには排気管３０が連結されている。
【００３０】
燃料電池冷却手段１４はラジエータ３１と、ラジエータ３１で冷却された冷却水を燃料電池１１及び水素循環ポンプ２４に導く配管３２とを備え、冷却水が配管３２を介して燃料電池１１、水素循環ポンプ２４及びラジエータ３１を循環するようになっている。なお、配管３２の途中には冷却水を循環させる図示しないウォータポンプが設けられ、ウォータポンプは制御装置１５からの指令信号に基づいて駆動、停止及び流量変更が可能になっている。この実施の形態では燃料電池冷却手段１４が水素循環ポンプ２４をも冷却可能になっている。
【００３１】
次に前記のように構成された燃料電池システム１０の作用を説明する。
燃料電池システム１０は、環境温度が燃料電池１１の発電が可能な予め設定された温度（設定温度）以上の場合は通常運転が行われ、環境温度が前記予め設定された設定温度未満の場合は、暖機が行われた後、通常運転が行われる。制御装置１５は環境温度を計測する温度センサ（図示せず）の検出信号に基づいて、環境温度が前記設定温度以上であれば始動時から通常運転を行い、環境温度が設定温度未満の場合には暖機を行った後、通常運転に移行する。
【００３２】
通常運転時には、水素タンク２５からレギュレータ２６を介して水素が供給されるとともに、水素循環ポンプ２４は水素を第１の所定の加圧状態に圧縮するように運転される。そして、第１の所定の加圧状態で水素が燃料電池１１のアノード電極１８側に供給される。また、コンプレッサ２９が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１１のカソード電極１９側に供給される。水素の供給量及び空気の供給量は、水素及び空気（酸素）がアノード電極１８又はカソード電極１９と対応する通路を通過する間に燃料電池１１での化学反応によって消費される量より多い。そして、発電のための化学反応で発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気とともに排気管３０から外部に排出される。また、未反応の水素は管路２３を経て水素循環ポンプ２４へ導かれ、水素循環ポンプ２４により加圧されて循環再利用される。
【００３３】
固体高分子型燃料電池は、８０〜９０℃程度で効率よく発電が行われるが、水素と酸素との化学反応は発熱反応のため、発電を継続すると、反応熱のため燃料電池１１の温度が８０〜９０℃の適正温度より上昇する。この温度上昇を防止するため、ラジエータ３１で冷却された冷却水が循環される。また、水素循環ポンプ２４は水素を加圧する構成のため発熱するので、冷却水の循環により冷却されて過熱が防止される。
【００３４】
暖機を行う場合は、ラジエータ３１の冷却水の循環が停止された状態で、制御装置１５は、水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時の適正な圧縮比より高くなるように制御し、水素を第２の所定の加圧状態に圧縮するように水素循環ポンプ２４を運転制御する。第２の所定の加圧状態の圧力は、第１の所定の加圧状態の圧力より高い。そして、予め設定された所定時間経過後、水素循環ポンプ２４の圧縮比が通常運転時の適正な圧縮比に変更され、水素循環ポンプ２４は、水素を第１の所定の加圧状態に圧縮する通常運転に移行する。即ち、暖機が終了すると、水素循環ポンプ２４による水素の加圧状態が、通常運転時の加圧状態に自動的に変更される。暖機中は、コンプレッサ２９の駆動が停止され、通常運転に移行する際にコンプレッサ２９の駆動が開始される。また、通常運転に移行後、ラジエータ３１の冷却水の循環が開始される。
【００３５】
空気と水素のガス特性を考慮すると、空気の方が熱容量が大きく、同じ循環量であれば、一度に運ぶ熱量は水素に比較して大きい。しかし、水素は空気に比較して、熱伝導率が高く、また、分子が小さいため、同容量のポンプで同じ圧損の閉回路を循環させた場合、水素の方が小さなエネルギーで大きな流量を循環させることができる。従って、空気をコンプレッサで断熱圧縮した際に発生する熱を利用して暖機を行う従来装置と比較して、燃料電池１１の暖機が迅速に行われる。
【００３６】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）燃料電池システム１０は、燃料電池１１のアノード電極（水素電極）１８側に水素を水素循環ポンプ２４を利用して供給し、水素循環ポンプ２４は水素を加圧可能に構成されている。そして、暖機時には、燃料電池１１で使用されなかった水素が水素循環経路で循環されるとともに、通常運転時より水素循環ポンプ２４は、圧縮比が通常運転時の適正な圧縮比より高くなるように運転され、水素の圧力が高くなり、加圧により発生した熱で燃料電池１１が暖められる。従って、暖機専用の新たな構成部品を追加することなく、空気供給用のポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、同じ容量のポンプを使用した場合に短時間で暖機が可能になる。
【００３７】
（２）燃料電池１１で使用されなかった水素は通常運転時も水素循環経路により循環される。従って、通常運転時に、燃料電池１１のアノード電極１８で使用されなかった水素を再利用できるため、燃料の効率が高くなる。また、燃料電池１１に供給する水素の量を、アノード電極１８で使用されずに燃料電池１１の外部に排出される量が少なくなるように制御する必要がなく、燃料電池１１に供給する水素の量の制御が容易になる。
【００３８】
（３）暖機が終了した時に水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時の適正な圧縮比に自動的に変更する変更手段（制御装置１５）を備えている。従って、暖機が終了すると、水素循環ポンプ２４による水素の加圧状態が、通常運転時の加圧状態に自動的に変更され、暖機終了後に燃料電池１１を暖めるという無駄なエネルギーの使用が防止される。
【００３９】
（４）変更手段（制御装置１５）は、暖機時には、予め実験により求められて設定された所定時間経過後に、通常運転に移行する。従って、燃料電池１１の温度を検出するセンサを設ける必要がなく、暖機終了後に通常運転に移行する構成が簡単になる。
【００４０】
（５）燃料電池セル１６のアノード電極１８と対応する水素通路を構成する壁面の合計面積が、空気通路を構成する壁面の合計面積より大きく形成されているため、セパレータ２０が熱交換器として有効に機能し、機暖機時に水素の熱が燃料電池１１に効率よく伝達されて暖機時間の短縮に寄与する。
【００４１】
（６）暖機時に燃料電池１１の冷却水の循環を停止するため、冷却水の循環を行ったまま暖機を行う場合に比較して、暖機時間を短縮できる。
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を図３に従って説明する。この実施の形態では、暖機を行うか否かの判断と、燃料電池１１の温度を直接又は間接的に検出するセンサの検出信号に基づき、暖機時に燃料電池１１の温度が所定温度に達すると水素循環ポンプ２４による加圧を通常運転時の加圧に変更する点が第１の実施の形態と大きく異なっている。また、暖機を行うか否かの判断基準等も第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同様な部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４２】
燃料電池１１には燃料電池１１の温度を直接検出するセンサとしての温度センサ３３が設けられている。制御装置１５は温度センサ３３の検出信号を入力し、その検出信号に基づいて燃料電池１１の温度を把握し、暖機が必要か否かを判断するようになっている。制御装置１５は燃料電池システム１０の始動時に、温度センサ３３の検出信号に基づいて燃料電池１１の温度が暖機が必要な所定温度未満か否かを判断する。そして、燃料電池１１が所定温度以上であれば、暖機を行わずに始動時から通常運転を行い、所定温度未満であれば、暖機を行った後、通常運転に移行する。
【００４３】
暖機は第１の実施の形態と同様に、コンプレッサ２９を駆動せず、水素循環ポンプ２４を駆動して水素のみを循環させた状態で行われる。燃料電池１１の温度が発電が可能な温度に達すると、制御装置１５からコンプレッサ２９に駆動指令が出力されてコンプレッサ２９が駆動を開始する。その結果、燃料電池１１に水素と酸素とが供給される状態となって発電が開始される。
【００４４】
この実施の形態においては、第１の実施の形態の（１）〜（３），（５），（６）と同様の効果を有する他に、次の効果を有する。
（７）暖機を行うか否かの判断が燃料電池１１の温度に基づいてなされるため、暖機を行うか否かの判断が正確になされ、暖機が不要な際は不要な暖機を行うことなく始動時から通常運転を行うことができる。
【００４５】
（８）暖機の終了時期の判断が、燃料電池１１の温度に基づいてなされるため、暖機の終了時期の判断が正確になされ、水素循環ポンプ２４の加圧状態の変更が適切になされる。
【００４６】
（９）燃料電池１１の温度を温度センサ３３により直接検出する構成のため、燃料電池１１の温度を間接的に検出する場合に比較して正確に検出することができる。
【００４７】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 暖機時に水素循環ポンプ２４から吐出されて燃料電池１１に供給される水素の温度を通常運転時より高める手段として、水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時より高くする代わりに、水素循環ポンプ２４を駆動するモータＭの回転速度を高めて運転を行うようにしてもよい。この構成でも、暖機時には燃料電池１１で使用されなかった水素が水素循環経路で循環される。そして、暖機時には同じ時間内に水素が水素循環ポンプ２４で圧縮される回数が通常運転時に比較して多くなり、水素循環ポンプ２４から単位時間当たりに吐出される水素の量が増加される。従って、燃料電池１１を暖めるために水素から供給される単位時間当たりの熱量が増加し、通常運転時と同じ条件で水素循環ポンプ２４を運転する場合に比較して、燃料電池１１を短時間で暖めることができる。
【００４８】
○ 燃料電池１１の温度が発電可能な温度に達して発電が開始された後も、燃料電池１１の温度が発電に好適な温度に達するまでは、水素循環ポンプ２４の運転条件を通常運転時の条件に戻さずに運転し、冷却水の循環を停止した状態に保持する構成としてもよい。例えば、暖機時に圧縮比を変更して水素循環ポンプ２４を運転する場合は、圧縮比を暖機時の条件に保持する。また、暖機時に、水素循環ポンプ２４を駆動するモータＭの回転速度を高めて運転する場合は、モータＭの回転速度を暖機時の条件に保持する。また、第２の実施の形態のように、温度センサで燃料電池１１の温度を検出する構成においては、燃料電池１１の温度が発電に好適な温度に達した後、水素循環ポンプ２４の運転条件を通常運転時の条件に戻す。これらの場合、燃料電池１１の温度が発電可能な所定温度に達して発電を開始した後も、燃料電池１１の温度が発電に好適な温度に達するまでは暖機を継続するため、適正温度に達するまでの時間を短縮することができる。
【００４９】
○ 第１の実施の形態のように、環境温度によって暖機を行うか否かを判断し、暖機を開始してから所定時間経過後に通常運転に移行する構成において、所定時間を環境温度の値によって異なる値に設定するようにしてもよい。例えば、環境温度に対応して暖機開始から終了までの所定時間を予め実験により求めた値を、環境温度毎に制御装置１５の記憶装置に記憶しておく。所定時間が環境温度に拘わらず同じに設定される場合は、所定時間を長めに設定する必要があるが、環境温度毎に異なる所定時間を設定した場合は、暖機時に適正な所定時間経過後に通常運転に移行することができる。
【００５０】
〇暖機を開始してから所定時間経過後に通常運転に移行する構成において、通常運転に移行する前に、発電を開始させるとともに冷却水の循環を停止した状態で運転を行う期間を設けてもよい。例えば、所定時間を設定する際、燃料電池１１の温度を発電が可能な温度まで暖めるのに必要な時間ではなく、発電に好適な温度に達するまでの時間に設定する。そして、暖機開始からあるいは暖機の途中からカソード電極１９への空気の供給を開始する。この場合、発電が可能な温度に達した後は発電による発熱により、燃料電池１１が発電に好適な温度に達するまでの時間が短くなる。
【００５１】
〇燃料電池１１の温度が発電可能な温度に達するまでの間のみ暖機を行う構成において、最初からコンプレッサ２９を駆動して空気を燃料電池１１に供給する構成としてもよい。暖機終了までは発電は行われないため、空気及び水素の両方が燃料電池１１に供給されても発電による発熱はない。しかし、コンプレッサ２９による空気の断熱圧縮時に空気が加熱されて燃料電池１１に供給されるため、燃料電池１１の加熱効果が向上し、燃料電池１１が発電可能な温度に達するまでの時間をより短縮することができる。
【００５２】
〇燃料電池１１の通常運転時に、燃料電池１１で使用されなかった水素を循環させて再利用せず、水素の循環は暖機時にのみ行う構成としてもよい。例えば、燃料電池１１の水素排出ポートに連結された管路２３に三方弁を設け、暖機時以外は管路２３が外気と連通状態に保持され、暖機時にのみ水素排出ポートが水素循環ポンプ２４に連通される状態に保持されるように構成する。
【００５３】
○ 燃料電池１１の温度を温度センサ３３で直接検出する構成に代えて、燃料電池システム又は燃料電池システムの一部の温度を検出して、その検出温度から燃料電池の温度を求めるようにしてもよい。例えば、温度センサ３３を燃料電池１１以外の箇所に設けて、間接的に燃料電池１１の温度を検出してその検出温度から燃料電池１１の温度を推定してもよい。
【００５４】
〇燃料電池１１の温度を検出可能な構成において、燃料電池１１の温度に応じて冷却水の循環速度を変更する構成としてもよい。この場合、燃料電池１１の温度を発電に好適な温度範囲内に保持するのが容易になる。
【００５５】
〇燃料電池１１で使用されなかった水素が通常運転時も水素循環経路により循環される構成において、暖機時と通常運転時とで水素循環ポンプ２４の圧縮比を同じにしてもよい。この構成では、通常運転時の水素循環ポンプ２４の圧縮比が適正な圧縮比より大きく、水素の加圧による発熱量が多くなるが、冷却水の循環量を増加する等の燃料電池１１の冷却効果を高めることにより、対処できる。
【００５６】
○ 燃料電池１１で使用されなかった水素が通常運転時も水素循環経路により循環される構成において、暖機時と通常運転時とで水素循環ポンプ２４を駆動するモータＭの回転速度を同じにしてもよい。この構成では、通常運転時の前記モータＭの回転速度が適正な回転速度より大きくなり、水素の発熱量が多くなるが、冷却水の循環量を増加する等の燃料電池１１の冷却効果を高めることにより、対処できる。
【００５７】
〇水素循環ポンプ２４を構成するポンプは水素を加圧可能なポンプであればよく、スクロール型のコンプレッサに限らず、他の形式のコンプレッサ等であってもよい。しかし、スクロール型のコンプレッサの方が圧縮効率が高く、小型化が可能なため好ましい。
【００５８】
〇水素源は高圧に圧縮された水素ガスが単に充填された水素タンクに限らず、例えば、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンクや水素化物から化学反応により水素を発生させて取り出すもの等であってもよい。
【００５９】
○ 冷却水の循環は、暖機時に停止、通常運転時に開始でなくてもよい。例えば、燃料電池１１や水素循環ポンプ２４の温度を検出し、温度に応じて冷却水の循環停止・開始を制御してもよい。
【００６０】
前記実施の形態から把握できる発明（技術的思想）について以下に記載する。
（１）請求項５に記載の発明において、前記所定温度は、燃料電池が発電可能となる下限温度である。
【００６１】
（２）請求項５に記載の発明において、前記所定温度は、燃料電池の発電が効率良く行われる温度の下限温度である。
（３）請求項１〜請求項５及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、酸素電極（カソード電極）側への酸素（空気）の供給は、燃料電池の温度が発電可能な状態に上昇した後に開始される。
【００６２】
（４）請求項１〜請求項５及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、燃料電池の酸素電極側へはコンプレッサによって加圧された状態の空気が供給され、暖機の開始から空気の供給が行われる。
【００６３】
（５）請求項１〜請求項５及び前記技術的思想（１）〜（３）のいずれか一項に記載の発明において、前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段が設けられ、該燃料電池冷却手段は燃料電池の温度が発電に好適な温度に上昇した後に作動が開始される。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜請求項５に記載の発明によれば、新たな構成部品を追加することなく、空気供給用のポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、短時間で暖機を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の燃料電池システムの概略構成図。
【図２】燃料電池セルの模式分解側面図。
【図３】第２の実施の形態の燃料電池システムの概略構成図。
【符号の説明】
Ｍ…モータ、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１２…水素供給手段、１５…変更手段としての制御装置、１８…水素電極としてのアノード電極、２２，２３…水素循環経路を構成する管路、２４…水素供給手段及び水素循環経路を構成する水素循環ポンプ、２５…水素源としての水素タンク、３３…センサとしての温度センサ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system having a configuration for warming up to a predetermined temperature or more at least at startup when used in a low-temperature environment.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, a fuel cell that is clean and has excellent energy efficiency has attracted attention as a power source of an electric vehicle. As is well known, a fuel cell utilizes an electromotive force generated by chemically reacting oxygen and hydrogen. By supplying oxygen to the cathode side and supplying hydrogen to the anode side and reacting hydrogen with oxygen, chemical energy is directly converted to electric energy, so that excellent conversion efficiency is obtained. .
[0003]
There are several types of fuel cells, but small size and high output are required for use in automobiles, and polymer electrolyte fuel cells are preferably used. The polymer electrolyte fuel cell efficiently generates power at a predetermined temperature (about 80 to 90 ° C.). The fuel cell is exothermic, so if a certain period of time has elapsed after the start of power generation, power generation can be continued efficiently even if the environmental temperature is low. Is bad. Therefore, when starting the fuel cell outdoors in winter or the like, it is necessary to warm the fuel cell to at least a temperature at which power generation can be started, and it is necessary to provide a warm-up device that warms the fuel cell to a temperature at which the operation can be continued efficiently. Also, during normal operation of the fuel cell, it is necessary to prevent the temperature of the fuel cell from becoming higher than the temperature at which power can be efficiently generated due to heat generated by the exothermic reaction of the fuel cell.
[0004]
Conventionally, in a fuel cell using hydrogen generated by reforming hydrocarbons as a fuel, a supply gas or an exhaust gas is burned at the start of the fuel cell, and the temperature of the reformer is used for the reforming reaction of the reforming fuel. A method of heating to a suitable temperature has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0005]
Further, a temperature detecting means for detecting the temperature of the fuel cell and a heater for heating the air supplied to the fuel cell are provided, and the amount of heat generated by the heater is controlled based on the temperature detected by the temperature detecting means at the time of starting. A proposed device has been proposed (for example, see Patent Document 2).
[0006]
Further, a warm-up device for a fuel cell system that does not require a heater dedicated to warm-up when performing warm-up of a fuel cell has been proposed (for example, see Patent Literature 3 and Patent Literature 4). The fuel cell warm-up device described in Patent Document 3 heats supply air by a heat exchanger using heat of exhaust air, and also provides a three-way valve in a pipe of the exhaust air to supply the exhaust air to the supply air. It is configured to be able to return to the pipeline. Further, a compressor is provided for pumping air discharged from the fuel cell. Therefore, when warming up, the temperature of the exhaust air can be increased by the compression of the compressor, and the exhaust air can be returned to the supply air pipeline.
[0007]
The warm-up device for a fuel cell system described in Patent Document 4 has a compressor that supplies supply air to the fuel cell, and a main flow path for supplying supply air is formed between the compressor and the fuel cell, A radiator for cooling supply air is provided in the main flow path. Further, a bypass passage is provided for supplying the supply air supplied from the compressor to the fuel cell, bypassing the radiator. Further, a heat exchanger for transferring the heat of the supply air to the supply hydrogen is provided between the air passage and the hydrogen passage. During normal operation of the fuel cell system in which supply air needs to be cooled, supply air is supplied to the fuel cell via a radiator, and when warm-up is required, supply air is supplied to the fuel cell via a bypass passage. I do.
[0008]
In a configuration in which high-purity hydrogen is used as a hydrogen supply source for a fuel cell, a hydrogen circulation pump is generally provided to mix hydrogen discharged from the fuel cell with hydrogen from a hydrogen supply source and supply the hydrogen to the fuel cell. A route is provided. An ejector type hydrogen circulation pump is used.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-63104 (paragraphs [0021], [0041] to [0043] of the specification, FIG. 3)
[Patent Document 2]
JP-A-2002-93445 (paragraphs [0028] to [0030] of the specification, FIG. 1)
[Patent Document 3]
JP-A-2002-56871 (paragraphs [0026], [0041], [0058] of FIG. 1, FIG. 1)
[Patent Document 4]
JP-A-2002-30503 (paragraphs [0025], [0037], [0058] of FIG. 1, FIG. 1)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The method described in Patent Document 1 has a negative effect on the advantage of cleanliness, which is one of the features of the fuel cell. Further, in the device of Patent Document 2, since a battery is used as a heat source of the heater, electric power is used only for warming up. When a fuel cell is mounted on an automobile, the traveling distance is shortened. In addition, since a dedicated device for warming-up is required, it is necessary to secure an arrangement space for the device, so that the entire fuel cell system is increased in size.
[0011]
The fuel cell power generation system described in Patent Literature 3 is configured to be able to circulate the exhaust gas that has been used in the fuel cell and after a part of oxygen has reacted with hydrogen. Therefore, by circulating the exhaust gas during warm-up, the heat generated by pressurization by the compressor is effectively used to warm the fuel cell. It is effective to circulate the exhaust gas only for the purpose of warming the fuel cell without generating power. However, when the fuel cell starts power generation at a low temperature, it is necessary to supply new air (oxygen) to the fuel cell, and it is necessary to reduce the amount of exhaust gas returned to the fuel cell. It is difficult to simultaneously raise the temperature of the fuel cell by circulating the fuel.
[0012]
The fuel cell power generation system described in Patent Literature 4 has a configuration in which a heat exchanger that transfers heat of supply air to supply hydrogen is provided between an air passage and a hydrogen passage. The fuel cell can also be warmed on the side. However, an extra heat exchanger is required, and the apparatus becomes large.
[0013]
In addition, since the ejector type is conventionally used as the hydrogen circulation pump, the temperature cannot be increased by pressurizing the hydrogen, which suggests that the heat generated by pressurizing the hydrogen is used for warming up. There was no description.
[0014]
The present invention has been made in view of the above-described problem, and has as its object to provide a conventional device that performs warming-up using a pump for air supply without adding a new component dedicated to warming-up. In comparison, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of warming up in a short time when pumps having the same capacity are used.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a fuel cell system including a hydrogen supply unit that supplies hydrogen of a hydrogen source to a hydrogen electrode side of the fuel cell by using a pump. A hydrogen circulation path capable of returning hydrogen not used in the fuel cell to the hydrogen supply path of the hydrogen supply means is provided, and a pump capable of pressurizing the hydrogen is used as the pump. During warm-up, hydrogen is circulated through the hydrogen circulation path, and the pump is operated with a higher compression ratio than an appropriate compression ratio during normal operation. The “appropriate compression ratio during normal operation” refers to the pressure of hydrogen on the anode (hydrogen electrode) side corresponding to the pressure of oxygen on the cathode electrode (oxygen electrode) in an operating state of the fuel cell other than during warm-up. Means the compression ratio required to pressurize the hydrogen to the pressure necessary to ensure
[0016]
According to the present invention, during warm-up, the hydrogen not used in the fuel cell is circulated in the hydrogen circulation path, and the operation is performed with the compression ratio of the pump higher than the appropriate compression ratio during normal operation. Accordingly, hydrogen is pressurized until the pressure becomes higher than when the pump is operated at an appropriate compression ratio during normal operation, and the amount of heat generated at the time of pressurization increases. Then, hydrogen at a higher temperature than when the operation is performed at an appropriate compression ratio during normal operation is discharged from the pump and supplied to the fuel cell, and the fuel cell is warmed.
[0017]
In consideration of the gas characteristics of air and hydrogen, air has a larger heat capacity and, if the circulation amount is the same, the amount of heat carried at one time is larger than that of hydrogen. However, hydrogen has a higher thermal conductivity and smaller molecules than air, so when circulating a closed circuit with the same pressure loss with a pump of the same capacity, hydrogen circulates a larger flow rate with less energy Can be done. Therefore, it is possible to warm up in a short time when using a pump with the same capacity as compared to a conventional device that uses an air pump to warm up without adding new components dedicated to warming up. Become.
[0018]
The invention according to claim 2 is a fuel cell system including a hydrogen supply unit that supplies hydrogen of a hydrogen source to a hydrogen electrode side of the fuel cell by using a pump. A hydrogen circulation path capable of returning hydrogen not used in the fuel cell to the hydrogen supply path of the hydrogen supply means is provided, and a pump capable of pressurizing the hydrogen is used as the pump. At the time of warm-up, hydrogen is circulated in the hydrogen circulation path, and the operation is performed with the rotation speed of the motor driving the pump higher than the proper rotation speed during normal operation. The “appropriate rotation speed during normal operation” refers to the pressure of hydrogen on the anode electrode (hydrogen electrode) corresponding to the pressure of oxygen on the cathode electrode (oxygen electrode) in an operating state of the fuel cell other than during warm-up. Means the rotational speed of the motor required to operate the pump to pressurize the hydrogen to the pressure necessary to ensure
[0019]
According to the present invention, during warm-up, hydrogen that has not been used in the fuel cell is circulated in the hydrogen circulation path, and operation is performed by increasing the rotation speed of the motor that drives the pump from an appropriate rotation speed during normal operation. . Therefore, the amount of hydrogen discharged from the pump per unit time is increased, the amount of heat supplied from the hydrogen per unit time to warm the fuel cell is increased, and the pump is operated at an appropriate rotation speed during normal operation. The fuel cell can be warmed up in a shorter time than in the case where the fuel cell is used.
[0020]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, hydrogen not used in the fuel cell is circulated through the hydrogen circulation path even during normal operation. According to the present invention, during normal operation, hydrogen that has not been used at the hydrogen electrode (at the anode electrode) of the fuel cell can be reused, so that the fuel efficiency is increased. Further, it is not necessary to control the amount of hydrogen supplied to the fuel cell so that the amount discharged to the outside of the fuel cell without being used by the anode electrode is reduced, and the amount of hydrogen supplied to the fuel cell can be controlled. Become easy.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, when the warm-up is completed, the operating condition of the pump is automatically changed to the operating condition of the normal operation. To change means. According to the present invention, when the warm-up is completed, the pressurization of hydrogen by the pump is automatically changed to the pressurization during normal operation by the changing means. Therefore, useless use of energy such as warming the fuel cell after the warm-up is prevented.
[0022]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the change unit changes the temperature of the fuel cell to a predetermined temperature based on a detection signal of a sensor that directly or indirectly detects the temperature of the fuel cell. When it reaches, the operating condition of the pump is changed to the operating condition of the normal operation. Here, "indirectly detecting the temperature of the fuel cell" means that the temperature of the fuel cell system or a part of the fuel cell system is detected, and the temperature of the fuel cell is obtained from the detected temperature. According to the present invention, the end of warm-up is determined based on the temperature of the fuel cell. Therefore, the end of warm-up is accurately determined, and the compression ratio of the pump, the rotational speed of the motor driving the pump, and the like are determined. The operating conditions are appropriately changed.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system, and FIG. 2 is a schematic exploded sectional view of a fuel cell.
[0024]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a fuel cell 11, a hydrogen supply unit 12, an oxygen supply unit 13, a fuel cell cooling unit 14, and a control device 15. The fuel cell 11 is composed of, for example, a polymer electrolyte fuel cell, and reacts hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 12 with oxygen supplied from the oxygen supply unit 13 to generate DC electric energy (DC power). appear.
[0025]
The fuel cell 11 is configured by stacking and connecting a large number of fuel cells 16 in series as shown in FIG. In the fuel cell 16, an anode electrode 18 as a hydrogen electrode and a cathode electrode 19 as an oxygen electrode are arranged with an electrolyte membrane (ion exchange membrane) 17 interposed therebetween, and a gasket 16a and separators 20, 21 are provided outside the anode electrode 18 as a hydrogen electrode. It is configured to be arranged. Then, a large number of fuel cells 16 are fastened by through bolts (not shown) to form a stack. A plurality of grooves 20a, 21a are formed in parallel on the sides of the separators 20, 21 facing the electrodes. In this embodiment, the number of grooves 20a facing the anode electrode 18 is formed larger than the number of grooves 21a facing the cathode electrode 19. The hydrogen passage composed of each groove 20a and the anode electrode 18 has a smaller flow path cross-sectional area than the air passage composed of the groove 21a and the cathode electrode 19, and the total area of the wall surfaces constituting each flow path is as follows: The hydrogen passage is formed larger than the air passage.
[0026]
The hydrogen supply means 12 is connected to a hydrogen supply port of the fuel cell 11 via a pipe 22, and is connected to a hydrogen discharge port of the fuel cell 11 via a pipe 23. A hydrogen tank 25 is provided as a source (hydrogen gas supply source). The hydrogen circulation pump 24 is driven by a motor M. The hydrogen tank 25 is connected to the pipe 22 via a pipe 27 provided with a regulator 26 on the way. The regulator 26 is a pressure control valve that reduces the pressure of hydrogen stored in the hydrogen tank 25 at a high pressure to a predetermined pressure and supplies the hydrogen at a constant pressure. The pipe 23, the hydrogen circulation pump 24, and the pipe 22 constitute a hydrogen circulation path capable of returning hydrogen not used in the fuel cell 11 to the hydrogen supply path of the hydrogen supply unit 12.
[0027]
As the hydrogen circulation pump 24, a pump capable of pressurizing hydrogen is used. In this embodiment, a scroll compressor is used, and the compression force (compression ratio) can be controlled by a command from the control device 15. . The control device 15 constitutes changing means for automatically changing the operating conditions of the hydrogen circulation pump 24 to the operating conditions during normal operation when the warm-up is completed.
[0028]
The control device 15 controls the operation so that the compression ratio of the hydrogen circulation pump 24 is higher than the proper compression ratio during normal operation until a predetermined time has elapsed from the start, and after the predetermined time has elapsed, the control of the hydrogen circulation pump 24 is performed. The compression ratio is controlled to operate at an appropriate compression ratio during normal operation. That is, the control device 15 controls the operation of the hydrogen circulation pump 24 so as to discharge hydrogen at a higher pressure than in the normal operation until a predetermined time has elapsed from the start, and after the predetermined time has elapsed, the hydrogen circulation pump 24 operates normally. It is controlled to operate in the pressurized state at the time. The predetermined time is set to a value obtained by an experiment in advance.
[0029]
The oxygen supply means 13 includes a compressor 29 connected to an oxygen supply port of the fuel cell 11 via a pipe 28. The compressor 29 compresses air from which dust and the like have been removed by an air cleaner (not shown) and discharges the compressed air to the pipeline 28. The compressor 29 is also configured so that the compression force can be changed. An exhaust pipe 30 is connected to an air exhaust port of the fuel cell 11.
[0030]
The fuel cell cooling means 14 includes a radiator 31, and a pipe 32 for guiding the cooling water cooled by the radiator 31 to the fuel cell 11 and the hydrogen circulation pump 24. The cooling water is supplied through the pipe 32 to the fuel cell 11, the hydrogen circulation pump. 24 and the radiator 31 are circulated. A water pump (not shown) for circulating cooling water is provided in the middle of the pipe 32. The water pump can be driven, stopped, and changed in flow rate based on a command signal from the control device 15. In this embodiment, the fuel cell cooling means 14 can also cool the hydrogen circulation pump 24.
[0031]
Next, the operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described.
The fuel cell system 10 performs normal operation when the environmental temperature is equal to or higher than a preset temperature (set temperature) at which the fuel cell 11 can generate power, and when the environmental temperature is lower than the preset temperature. After warming up, normal operation is performed. The control device 15 performs a normal operation from the start if the environmental temperature is equal to or higher than the set temperature based on a detection signal of a temperature sensor (not shown) for measuring the environmental temperature. After warming up, the operation shifts to normal operation.
[0032]
During normal operation, hydrogen is supplied from the hydrogen tank 25 via the regulator 26, and the hydrogen circulation pump 24 is operated to compress the hydrogen to a first predetermined pressurized state. Then, hydrogen is supplied to the anode electrode 18 side of the fuel cell 11 in the first predetermined pressurized state. Further, the compressor 29 is driven to pressurize the air to a predetermined pressure and supply the air to the cathode electrode 19 side of the fuel cell 11. The supply amount of hydrogen and the supply amount of air are larger than the amount of hydrogen and air (oxygen) consumed by the chemical reaction in the fuel cell 11 while passing through the passage corresponding to the anode electrode 18 or the cathode electrode 19. The water generated by the chemical reaction for power generation is discharged to the outside from the exhaust pipe 30 together with unreacted air in the form of water vapor. The unreacted hydrogen is guided to a hydrogen circulation pump 24 via a pipe 23, and is pressurized by the hydrogen circulation pump 24 to be circulated and reused.
[0033]
The polymer electrolyte fuel cell efficiently generates power at about 80 to 90 ° C., but the chemical reaction between hydrogen and oxygen is an exothermic reaction. The temperature rises from an appropriate temperature of 80 to 90 ° C. In order to prevent this temperature rise, the cooling water cooled by the radiator 31 is circulated. Further, since the hydrogen circulation pump 24 generates heat due to the configuration for pressurizing hydrogen, it is cooled by circulation of the cooling water to prevent overheating.
[0034]
When performing warm-up, the control device 15 controls the compression ratio of the hydrogen circulation pump 24 to be higher than the appropriate compression ratio during normal operation in a state where the circulation of the cooling water of the radiator 31 is stopped. The operation of the hydrogen circulation pump 24 is controlled so that hydrogen is compressed to the second predetermined pressurized state. The pressure in the second predetermined pressurized state is higher than the pressure in the first predetermined pressurized state. Then, after a predetermined period of time has elapsed, the compression ratio of the hydrogen circulation pump 24 is changed to an appropriate compression ratio during normal operation, and the hydrogen circulation pump 24 compresses hydrogen to a first predetermined pressurized state. Shift to normal operation. That is, when the warm-up is completed, the pressurized state of hydrogen by the hydrogen circulation pump 24 is automatically changed to the pressurized state during normal operation. During warm-up, the driving of the compressor 29 is stopped, and the driving of the compressor 29 is started when the operation shifts to the normal operation. After the shift to the normal operation, the circulation of the cooling water of the radiator 31 is started.
[0035]
In consideration of the gas characteristics of air and hydrogen, air has a larger heat capacity and, if the circulation amount is the same, the amount of heat carried at one time is larger than that of hydrogen. However, hydrogen has a higher thermal conductivity and smaller molecules than air, so when circulating a closed circuit with the same pressure loss with a pump of the same capacity, hydrogen circulates a larger flow rate with less energy Can be done. Therefore, the fuel cell 11 can be warmed up more quickly than a conventional device that warms up using the heat generated when the air is adiabatically compressed by the compressor.
[0036]
This embodiment has the following effects.
(1) The fuel cell system 10 supplies hydrogen to the anode electrode (hydrogen electrode) 18 side of the fuel cell 11 using a hydrogen circulation pump 24, and the hydrogen circulation pump 24 is configured to be able to pressurize the hydrogen. . During warm-up, the hydrogen not used in the fuel cell 11 is circulated in the hydrogen circulation path, and the hydrogen circulation pump 24 operates so that the compression ratio is higher than the proper compression ratio during normal operation as compared with during normal operation. , The pressure of hydrogen increases, and the fuel cell 11 is heated by the heat generated by the pressurization. Therefore, compared to a conventional device that uses a pump for air supply to perform warm-up without adding new components dedicated to warm-up, the warm-up time is shorter when a pump with the same capacity is used. Becomes possible.
[0037]
(2) Hydrogen not used in the fuel cell 11 is circulated through the hydrogen circulation path even during normal operation. Therefore, during normal operation, hydrogen that has not been used in the anode electrode 18 of the fuel cell 11 can be reused, so that the fuel efficiency is increased. Further, it is not necessary to control the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 11 so that the amount of hydrogen discharged to the outside of the fuel cell 11 without being used by the anode electrode 18 is reduced. The control of the volume becomes easier.
[0038]
(3) A change means (control device 15) for automatically changing the compression ratio of the hydrogen circulation pump 24 to an appropriate compression ratio during normal operation when warm-up is completed is provided. Therefore, when the warm-up is completed, the pressurized state of hydrogen by the hydrogen circulation pump 24 is automatically changed to the pressurized state in the normal operation, and the use of wasteful energy for warming the fuel cell 11 after the warm-up is completed. Is prevented.
[0039]
(4) The changing means (control device 15) shifts to the normal operation after the elapse of a predetermined period of time, which is determined in advance by experiments, during warm-up. Therefore, there is no need to provide a sensor for detecting the temperature of the fuel cell 11, and the configuration for shifting to the normal operation after the warm-up is simplified.
[0040]
(5) Since the total area of the walls forming the hydrogen passage corresponding to the anode electrode 18 of the fuel cell 16 is formed larger than the total area of the walls forming the air passage, the separator 20 is effective as a heat exchanger. The heat of hydrogen is efficiently transmitted to the fuel cell 11 at the time of warm-up, which contributes to shortening of the warm-up time.
[0041]
(6) Since the circulation of the cooling water of the fuel cell 11 is stopped at the time of warm-up, the warm-up time can be reduced as compared with the case where the warm-up is performed while the cooling water is circulated.
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG. In this embodiment, the temperature of the fuel cell 11 reaches a predetermined temperature during the warm-up based on the determination of whether to perform the warm-up and the detection signal of the sensor that directly or indirectly detects the temperature of the fuel cell 11. Then, the point that the pressurization by the hydrogen circulation pump 24 is changed to the pressurization during the normal operation is significantly different from the first embodiment. Also, the criterion for determining whether or not to perform warm-up is different from that of the first embodiment. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
[0042]
The fuel cell 11 is provided with a temperature sensor 33 as a sensor for directly detecting the temperature of the fuel cell 11. The control device 15 receives a detection signal from the temperature sensor 33, grasps the temperature of the fuel cell 11 based on the detection signal, and determines whether or not warm-up is necessary. When starting the fuel cell system 10, the control device 15 determines whether the temperature of the fuel cell 11 is lower than a predetermined temperature at which warm-up is required based on a detection signal of the temperature sensor 33. If the temperature of the fuel cell 11 is equal to or higher than a predetermined temperature, the normal operation is performed from the start without warming up. If the temperature is lower than the predetermined temperature, the normal operation is performed after the warming up.
[0043]
As in the first embodiment, the warm-up is performed in a state in which the compressor 29 is not driven and the hydrogen circulation pump 24 is driven to circulate only hydrogen. When the temperature of the fuel cell 11 reaches a temperature at which power can be generated, a drive command is output from the control device 15 to the compressor 29, and the compressor 29 starts driving. As a result, the fuel cell 11 is supplied with hydrogen and oxygen, and power generation is started.
[0044]
This embodiment has the following effects in addition to the effects similar to (1) to (3), (5), and (6) of the first embodiment.
(7) Since the determination as to whether or not to perform warm-up is made based on the temperature of the fuel cell 11, the determination as to whether or not to perform warm-up is made accurately. The normal operation can be performed from the start without performing.
[0045]
(8) Since the end of the warm-up is determined based on the temperature of the fuel cell 11, the end of the warm-up is accurately determined, and the pressurized state of the hydrogen circulation pump 24 is appropriately changed. You.
[0046]
(9) Since the temperature of the fuel cell 11 is directly detected by the temperature sensor 33, the temperature of the fuel cell 11 can be detected more accurately than in the case of indirectly detecting the temperature.
[0047]
The embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
As means for increasing the temperature of hydrogen discharged from the hydrogen circulation pump 24 and supplied to the fuel cell 11 during warm-up as compared with the normal operation, instead of increasing the compression ratio of the hydrogen circulation pump 24 compared to the normal operation, hydrogen circulation is performed. The operation may be performed by increasing the rotation speed of the motor M that drives the pump 24. Also in this configuration, the hydrogen not used in the fuel cell 11 during the warm-up is circulated in the hydrogen circulation path. Then, during warm-up, the number of times that hydrogen is compressed by the hydrogen circulation pump 24 within the same time becomes larger than during normal operation, and the amount of hydrogen discharged from the hydrogen circulation pump 24 per unit time is increased. Therefore, the amount of heat per unit time supplied from hydrogen for warming the fuel cell 11 increases, and the fuel cell 11 is heated in a shorter time than when the hydrogen circulation pump 24 is operated under the same conditions as during normal operation. Can be warmed.
[0048]
O Even after the temperature of the fuel cell 11 reaches a temperature at which power can be generated and power generation is started, until the temperature of the fuel cell 11 reaches a temperature suitable for power generation, the operating conditions of the hydrogen circulation pump 24 are changed to those in normal operation. The operation may be performed without returning to the condition, and the cooling water circulation may be maintained in a stopped state. For example, when operating the hydrogen circulation pump 24 while changing the compression ratio during warm-up, the compression ratio is maintained at the condition during warm-up. In addition, when the operation is performed by increasing the rotation speed of the motor M that drives the hydrogen circulation pump 24 during warm-up, the rotation speed of the motor M is maintained at the condition during warm-up. In the configuration in which the temperature of the fuel cell 11 is detected by the temperature sensor as in the second embodiment, after the temperature of the fuel cell 11 reaches a temperature suitable for power generation, the operating conditions of the hydrogen circulation pump 24 are changed. Is returned to the condition for normal operation. In these cases, even after the temperature of the fuel cell 11 reaches a predetermined temperature at which power can be generated and power generation is started, warm-up is continued until the temperature of the fuel cell 11 reaches a temperature suitable for power generation. The time to reach can be shortened.
[0049]
○ As in the first embodiment, in the configuration in which it is determined whether or not to perform warming-up based on the environmental temperature and the normal operation is performed after a lapse of a predetermined time from the start of the warming-up, the predetermined time is set to the environmental temperature. Different values may be set depending on the values. For example, a value obtained in advance by experiment for a predetermined time from the start to the end of warm-up corresponding to the environmental temperature is stored in the storage device of the control device 15 for each environmental temperature. If the predetermined time is set to be the same regardless of the environmental temperature, it is necessary to set the predetermined time longer, but if a different predetermined time is set for each environmental temperature, after a proper predetermined time elapses during warm-up. It is possible to shift to normal operation.
[0050]
構成 In the configuration in which the normal operation is started after the elapse of a predetermined time from the start of the warm-up, it is possible to provide a period in which the power generation is started and the operation is performed with the cooling water circulation stopped before the normal operation is started. Good. For example, when setting the predetermined time, the time required to warm the temperature of the fuel cell 11 to a temperature at which power generation can be performed is set, but not to a temperature suitable for power generation. Then, the supply of air to the cathode electrode 19 is started from the start of warm-up or during the warm-up. In this case, after the temperature reaches a temperature at which power generation is possible, the time required for the fuel cell 11 to reach a temperature suitable for power generation becomes shorter due to heat generated by power generation.
[0051]
In a configuration in which the warm-up is performed only until the temperature of the fuel cell 11 reaches a temperature at which power can be generated, the compressor 29 may be driven from the beginning to supply air to the fuel cell 11. Since power generation is not performed until the warm-up is completed, even if both air and hydrogen are supplied to the fuel cell 11, there is no heat generation due to power generation. However, since the air is heated and supplied to the fuel cell 11 at the time of adiabatic compression of the air by the compressor 29, the heating effect of the fuel cell 11 is improved, and the time required for the fuel cell 11 to reach a temperature at which power can be generated is further reduced. can do.
[0052]
時に During the normal operation of the fuel cell 11, hydrogen not used in the fuel cell 11 may be circulated and not reused, and the circulation of hydrogen may be performed only during warm-up. For example, a three-way valve is provided in the pipe 23 connected to the hydrogen discharge port of the fuel cell 11, and the pipe 23 is kept in communication with the outside air except during warm-up. 24 is maintained.
[0053]
In place of the configuration in which the temperature of the fuel cell 11 is directly detected by the temperature sensor 33, the temperature of the fuel cell system or a part of the fuel cell system may be detected, and the temperature of the fuel cell may be obtained from the detected temperature. Good. For example, the temperature sensor 33 may be provided at a location other than the fuel cell 11 to indirectly detect the temperature of the fuel cell 11 and estimate the temperature of the fuel cell 11 from the detected temperature.
[0054]
において In a configuration that can detect the temperature of the fuel cell 11, a configuration may be adopted in which the circulation speed of the cooling water is changed according to the temperature of the fuel cell 11. In this case, it is easy to maintain the temperature of the fuel cell 11 within a temperature range suitable for power generation.
[0055]
In a configuration in which hydrogen that has not been used in the fuel cell 11 is circulated through the hydrogen circulation path even during normal operation, the compression ratio of the hydrogen circulation pump 24 may be the same during warm-up and during normal operation. In this configuration, during normal operation, the compression ratio of the hydrogen circulation pump 24 is larger than the appropriate compression ratio, and the amount of heat generated by pressurizing hydrogen increases. You can deal with it by increasing its effectiveness.
[0056]
In a configuration in which hydrogen that has not been used in the fuel cell 11 is circulated through the hydrogen circulation path even during normal operation, the rotation speed of the motor M that drives the hydrogen circulation pump 24 is set the same during warm-up and during normal operation. Is also good. In this configuration, the rotation speed of the motor M during normal operation becomes higher than the proper rotation speed, and the amount of heat generated by hydrogen increases, but the cooling effect of the fuel cell 11 such as increasing the circulation amount of cooling water is enhanced. By doing so, we can deal with it.
[0057]
The pump constituting the hydrogen circulation pump 24 may be any pump that can pressurize hydrogen, and is not limited to a scroll-type compressor, and may be another type of compressor or the like. However, scroll-type compressors are preferable because they have higher compression efficiency and can be downsized.
[0058]
〇 The hydrogen source is not limited to a hydrogen tank simply filled with high-pressure compressed hydrogen gas. Is also good.
[0059]
○ The cooling water circulation does not have to be stopped during warm-up and not started during normal operation. For example, the temperature of the fuel cell 11 or the hydrogen circulation pump 24 may be detected, and the stop / start of the circulation of the cooling water may be controlled according to the temperature.
[0060]
The invention (technical idea) that can be grasped from the embodiment will be described below.
(1) In the invention described in claim 5, the predetermined temperature is a lower limit temperature at which the fuel cell can generate power.
[0061]
(2) In the invention described in claim 5, the predetermined temperature is a lower limit temperature of a temperature at which power generation of the fuel cell is efficiently performed.
(3) In the invention described in any one of claims 1 to 5 and the technical ideas (1) and (2), supply of oxygen (air) to the oxygen electrode (cathode electrode) side It is started after the temperature of the fuel cell rises to a state where power can be generated.
[0062]
(4) In the invention according to any one of claims 1 to 5 and the technical ideas (1) and (2), air in a state in which the compressor is pressurized to the oxygen electrode side of the fuel cell. Is supplied, and air is supplied from the start of warm-up.
[0063]
(5) In the invention according to any one of claims 1 to 5 and the technical ideas (1) to (3), fuel cell cooling means for cooling the fuel cell is provided, and the fuel cell The operation of the cooling means is started after the temperature of the fuel cell rises to a temperature suitable for power generation.
[0064]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the first to fifth aspects of the present invention, a warm-up system using a pump for supplying air without adding a new component is used as compared with a conventional system. Thus, the warm-up can be performed in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic exploded side view of a fuel cell.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
M: motor, 10: fuel cell system, 11: fuel cell, 12: hydrogen supply means, 15: control device as changing means, 18: anode electrodes as hydrogen electrodes, 22, 23: tubes constituting a hydrogen circulation path 24, a hydrogen circulation pump constituting a hydrogen supply means and a hydrogen circulation path; 25, a hydrogen tank as a hydrogen source; 33, a temperature sensor as a sensor.

Claims

In a fuel cell system including a hydrogen supply unit that supplies hydrogen of a hydrogen source to a hydrogen electrode side of a fuel cell by using a pump, hydrogen not used in the fuel cell is supplied to a hydrogen supply path of the hydrogen supply unit. A hydrogen circulation path capable of returning hydrogen is used, and a pump capable of pressurizing hydrogen is used as the pump.Hydrogen is circulated in the hydrogen circulation path at the time of warm-up, and the pump has a proper compression ratio during normal operation. Fuel cell system that operates with a high compression ratio.

In a fuel cell system including a hydrogen supply unit that supplies hydrogen of a hydrogen source to a hydrogen electrode side of a fuel cell by using a pump, hydrogen not used in the fuel cell is supplied to a hydrogen supply path of the hydrogen supply unit. A hydrogen circulation path that can be returned is used, and a pump capable of pressurizing hydrogen is used as the pump.At the time of warm-up, while circulating hydrogen in the hydrogen circulation path, the rotation speed of the motor that drives the pump is usually reduced. A fuel cell system that operates at a speed higher than the proper rotation speed during operation.

3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the hydrogen not used in the fuel cell is circulated through the hydrogen circulation path even during normal operation.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a change unit configured to automatically change an operation condition of the pump to an operation condition of a normal operation when the warm-up is completed.

The changing means changes an operating condition of the pump to an operating condition of a normal operation when the temperature of the fuel cell reaches a predetermined temperature, based on a detection signal of a sensor for directly or indirectly detecting the temperature of the fuel cell. Item 5. The fuel cell system according to Item 4.