JP2004311229A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の暖気が終わる前に暖房装置を駆動させると、熱交換媒体を、ヒータ、暖房用熱交換器、燃料電池の順で循環させるようにしているので、ヒータで暖めた熱交換媒体は暖房用熱交換器に熱を奪われ、燃料電池の温度を速やかに昇温させることができず、燃料電池車の走行可能な温度にするまで時間がかかる。また、燃料電池暖気終了を待つにしても、その間暖房用熱交換器をバイパスしているため暖房装置を使えない。
【解決手段】熱交換媒体の循環路に、燃料電池、加熱手段、暖房用熱交換媒体と熱交換を行う熱交換手段の順に備え、循環路に温度測定手段、循環装置、温度測定手段の測定温度に基づいて、熱交換媒体を正逆何れかの方向に切換えて循環させる循環方向切替手段を備え、暖房用熱交換媒体が流れる暖房用循環路に、暖房用加熱手段と暖房手段を備えた。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載した燃料電池システムの起動時における暖房方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の車載した燃料電池システムの起動時における暖房方法として、起動時に速やかに燃料電池本体を昇温できるように、ラジエータ及び暖房用熱交換器をバイパスしヒータを持つショートサーキットを形成し、熱交換媒体を、ヒータ、燃料電池の順で循環させるものがある。また、暖房装置を駆動させる場合は、暖房用熱交換器に熱交換媒体が流れるようにバルブを調整し、また熱交換媒体を、ヒータ、暖房用熱交換器、燃料電池の順で循環させるようにしている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００‐３１５５１２号公報（第４‐７頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来技術では、燃料電池の暖気が終わる前に暖房装置を駆動させると、熱交換媒体を、ヒータ、暖房用熱交換器、燃料電池の順で循環させるようにしているので、ヒータで暖めた熱交換媒体は暖房用熱交換器に熱を奪われ、燃料電池の温度を速やかに昇温させることができず、燃料電池車の走行可能な温度にするまで時間がかかる。また、燃料電池暖気終了を待つにしても、その間暖房用熱交換器をバイパスしているため暖房装置を使えない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車載した熱交換媒体の循環路に、燃料電池、熱交換媒体を加熱可能な加熱手段、熱交換媒体を暖房用熱交換媒体と熱交換を行う熱交換手段の順に備え、また循環路の任意の箇所に熱交換媒体の温度を測定する温度測定手段、熱交換媒体を循環させる循環装置、及び温度測定手段の測定温度に基づいて、熱交換媒体を正逆何れかの方向に切換えて循環させる循環方向切替手段を備えた燃料電池システムにおいて、暖房用熱交換媒体が流れる暖房用循環路に、少なくとも暖房用熱交換媒体を加熱可能な暖房用加熱手段と熱交換媒体の熱を利用して仕事をする暖房手段を備えた。
【０００６】
【発明の効果】
本発明は、暖房用加熱手段を暖房用循環路に備えることで、暖房用熱交換媒体が加温され、熱交換により循環路を流れる熱交換媒体を加温でき、燃料電池を備える循環路に加熱手段のみを備える場合と比べると、熱交換媒体の温度が走行可能温度になるまでの時間が短縮できる。また、発電可能温度後は暖房用加熱手段も起動することで、走行可能温度前に暖房の使用が可能であり、且つ燃料電池の暖気ができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明を、図１〜６を用いて説明する。
まず、本発明の構成について、図１を用いて説明する。
本発明は、燃料電池１、燃料ガス供給装置２、空気供給装置３、加熱手段（燃焼器４、燃焼器用燃料ガス供給装置５、燃焼器用空気供給装置６、燃焼器用熱交換器７）、熱交換手段（暖房用熱交換器８）、循環装置（ポンプ９）、循環路（循環路Ａ、循環路Ｂ、循環路Ｃ、循環路Ｄ）、循環方向切替手段（循環路Ｅ、循環路Ｆ、バルブＩ、バルブＩＩ）、温度測定手段（温度センサ１０）、三方弁１１、冷却用循環路Ｇ、ラジエータ１２、暖房用循環路Ｈ、暖房用加熱手段（電気ヒータ１３）、暖房手段（ヒータコア１４）、暖房用循環装置（暖房用ポンプ１５）で構成されている。
【０００８】
また、ここでは熱交換媒体及び暖房用熱交換媒体として、不凍液を用いる。また、第一の所定温度を燃料電池車が通常の走行が可能な温度（走行可能温）とし、第二の所定温度を燃料電池の発電可能温度とする。走行可能温度は、発電可能温度より高い温度とし、以下で述べる燃焼器不要温度とは、走行可能温度より高く、不凍液の温度が燃料電池車を走行するのに十分に暖まった温度のことをいう。
【０００９】
夫々の機能について説明する。
燃料電池１は、燃料ガス供給装置２及び空気供給装置３から燃料ガス及び空気が供給され発電する。
燃焼器４は、燃焼器用燃料ガス供給装置５及び燃焼器用空気供給装置６から燃料ガス及び空気が供給され燃焼し、燃焼器用熱交換器７を介して循環路Ｂを流れる不凍液を暖める。
【００１０】
ポンプ９は、循環路を流れる不凍液を循環させる。循環路Ｄを流れる不凍液の流れ方向は一定で、ポンプ９、燃料電池１、温度センサ１０の順で流れる。
温度センサ１０は、循環路Ｄを流れる不凍液の温度を測定する。
【００１１】
ラジエータ１２は、循環路Ｇを流れる不凍液を冷却する。
暖房用ポンプ１５は、暖房用循環路Ｈを流れる暖房用不凍液を循環させる。流れ方向は一定で、ポンプ１５、電気ヒータ１３、ヒータコア１４、暖房用熱交換器８の順で流れる。
【００１２】
暖房用熱交換器８は、暖房用循環路Ｈを流れる暖房用不凍液と循環路Ｂを流れる不凍液の熱交換を行う。
電気ヒータ１３は、暖房用循環路Ｈを流れる暖房用不凍液を暖める。
ヒータコア１４は、暖房用循環路Ｈを流れる暖房用不凍液の熱を車内に送る（通気）或いは遮断（非通気）する。
【００１３】
夫々の循環路の構成について説明する。
循環路Ａには、一端にバルブＩを、他端に三方弁１１を取付ける。
循環路Ｂには、両端にバルブＩを取付ける。また、暖房用熱交換器８、燃焼器用熱交換器７を備える。また、暖房用熱交換器８は、循環路Ｂと暖房用循環路Ｈを結ぶ。また、燃焼器用熱交換器７は燃焼器４が隣接され、燃焼器４には燃焼用燃料ガス供給装置５及び燃焼器用空気供給装置６を備える。
【００１４】
循環路Ｃには、一端にバルブＩを取付ける。
循環路Ｄには、一端に三方弁１１を取付ける。また、三方弁１１側から順に、温度センサ１０、燃料電池１、ポンプ９を備える。また、燃料電池１には、燃料ガス供給装置２及び空気供給装置３を備える。
【００１５】
循環路Ｅには、バルブＩＩを備える。
循環路Ｆには、バルブＩＩを備える。
循環路Ｇには、一端に三方弁１１を取付ける。また、ラジエータ１２を備える。
暖房用循環路Ｈには、時計回りに暖房用熱交換器８、暖房用ポンプ１５、電気ヒータ１３、ヒータコア１４を備える。
【００１６】
循環路全体の構成について説明する。
循環路Ｂの両端を、バルブＩにより暖房用熱交換器８側を循環路Ａ及び燃焼器用熱交換器７側を循環路Ｃと夫々接続する。三方弁１１は、循環路Ａの他端と、循環路Ｄの温度センサ１０側と、循環路Ｇが接続されている。循環路Ｄのポンプ９側は、循環路Ｇ及び循環路Ｃの夫々他端と接続する。また、循環路Ｅの一端は循環路Ａと他端は循環路ＢのバルブＩと燃焼器用熱交換器７の間を、循環路Ｆの一端は循環路ＢのバルブＩと暖房用熱交換器８の間と他端は循環路Ｃを夫々結ぶ。
【００１７】
循環路を流れる不凍液の循環方法について、図１〜３を用いて説明する。
通常運転時（燃料電池１が十分に暖気された時）は、図１の実線に示すように、バルブＩを閉じバルブＩＩを開くことで、不凍液が循環路Ａ→Ｅ→Ｂ→Ｆ→Ｄ（→Ａ）と流し、必要に応じ三方弁１１を調整することにより、循環路Ｃから循環路ＤとＧに分岐して循環路Ａに戻る循環経路である。
【００１８】
循環経路αとは、図２の実線に示すように、バルブＩを開きバルブＩＩを閉じることで、不凍液が循環路Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ（→Ａ）と流れる循環経路である。
循環経路βとは、図３の実線に示すように、バルブＩを閉じバルブＩＩを開くことで、不凍液が循環路Ａ→Ｅ→Ｂ→Ｃ→Ｄ（→Ａ）と流す循環経路である。
【００１９】
ショートサーキットとは、図２或いは図３の実線に示すように、ラジエータ１２に不凍液が流れないような循環経路である。
以上のような循環経路は、温度センサ１０で検出される不凍液の温度によって選択される。
【００２０】
次に、本発明の作用について、図４及び図５のシステムフローチャートを用いて説明する。
このシステムフローチャートは、車両起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。また、以下で述べる通常制御とは、不凍液の温度や運転者の要求等により制御されることをいう。
【００２１】
ステップ１００では、システムフローチャートを開始する。
ステップ１０１では、フラグが４であるか確認する。フラグが４の時は、ステップ１４５に進む。
ステップ１０２では、フラグが３であるか確認する。フラグが３の時は、ステップ１２４に進む。
【００２２】
ステップ１０３では、フラグが２であるか確認する。フラグが２の時は、ステップ１１７に進む。
ステップ１０４では、フラグが１であるか確認する。フラグが１の時は、ステップ１１１に進む。
ステップ１０５では、不凍液の温度が燃焼器４不要温度に達しているかを温度センサ１０で確認する。燃焼器４不要温度に達している場合は、ステップ１３８に進む。
【００２３】
ステップ１０６では、三方弁１１を切り替え、ショートサーキットを形成する。
ステップ１０７では、不凍液の温度が燃料電池車の走行可能な温度に達しているかを温度センサ１０で確認する。走行可能な温度に達している場合は、ステップ１３２に進む。
ステップ１０８では、バルブＩを開き、バルブＩＩを閉じ、循環路αにする。
【００２４】
ステップ１０９では、ポンプ９を起動する。
ステップ１１０では、燃焼器用燃料ガス供給装置５及び燃焼器用空気供給装置６から燃料ガス及び空気を供給して、燃焼器４を起動する。燃焼器４で得られた燃焼ガスは、燃焼器用熱交換器７で熱交換媒体と熱交換を行う。この間の燃料電池１の加熱源は、燃焼器４で得られた燃焼ガスである。
【００２５】
ステップ１１１では、不凍液の温度が燃料電池１の発電可能な温度に達しているかを温度センサ１０で確認する。発電可能温度に達している場合は、ステップ１１３に進む。
ステップ１１２では、フラグを１にする。ステップ１４５に進む。
ステップ１１３では、燃料ガス供給装置２及び空気供給装置３から燃料ガス及び空気を供給して燃料電池１を起動する。
【００２６】
ステップ１１４では、暖房用ポンプ１５を起動する。
ステップ１１５では、ヒータコア１４を非通気にする。
ステップ１１６では、電気ヒータ１３を起動する。この間の燃料電池１の加熱源は、燃焼器４で得られる燃焼ガスと、燃料電池１の自己発熱と、電気ヒータ１３となる。
【００２７】
ステップ１１７では、不凍液の温度が燃料電池車の走行可能な温度に達しているかを温度センサ１０で確認する。走行可能な温度に達している場合は、ステップ１１９に進む。
ステップ１１８では、フラグを２にする。ステップ１４５に進む。
ステップ１１９では、ポンプ９を停止する。
【００２８】
ステップ１２０では、バルブＩを閉じ、バルブＩＩを開き、循環路βにする。
ステップ１２１では、ポンプ９を起動する。
ステップ１２２では、電気ヒータ１３を停止する。
【００２９】
ステップ１２３では、ヒータコア１４を通気にする。この間の燃料電池１の加熱源は、燃料電池１の自己発熱であり、室内暖房の熱源は、燃焼器４で得られる燃焼ガスとなる。
ステップ１２４では、不凍液の温度が燃焼器４不要温度に達しているかを温度センサ１０で確認する。燃焼器４不要温度に達している場合は、ステップ１２６に進む。
【００３０】
ステップ１２５では、フラグを３にする。ステップ１４５に進む。
ステップ１２６では、燃焼器用燃料ガス供給装置５及び燃焼器用空気供給装置６からの燃料ガス及び空気の供給を停止し、燃焼器４を停止する。
【００３１】
ステップ１２８では、三方弁１１を通常制御にする。
ステップ１２９では、電気ヒータ１３を通常制御にする。
ステップ１３０では、ヒータコア１４を通常制御にする。
【００３２】
ステップ１３１では、フラグを４にする。ステップ１４５に進む。
ステップ１３２では、バルブＩを閉じ、バルブＩＩを開き、循環路βにする。
ステップ１３３では、ポンプ９を起動する。
【００３３】
ステップ１３４では、燃焼器用燃料ガス供給装置５及び燃焼器用空気供給装置６から燃料ガス及び空気を供給して、燃焼器４を起動する。燃焼器４で得られた燃焼ガスは、燃焼器用熱交換器７で熱交換媒体と熱交換を行う。
【００３４】
ステップ１３５では、燃料ガス供給装置２及び空気供給装置３から燃料ガス及び空気を供給して燃料電池１を起動する。
ステップ１３６では、暖房用ポンプ１５を起動する。
【００３５】
ステップ１３７では、ヒータコア１３を通気にする。この間の燃料電池１の加熱源は燃料電池１自体であり、室内暖房の熱源は燃焼器４で得られる燃焼ガスである。ステップ１２８に進む。
【００３６】
ステップ１３８では、三方弁１１を通常制御にする。
ステップ１３９では、バルブＩを閉じ、バルブＩＩを開き、循環路βにする。
ステップ１４１では、ポンプ９を起動する。
【００３７】
ステップ１４２では、燃料ガス供給装置２及び空気供給装置３から燃料ガス及び空気を供給して燃料電池１を起動する。
ステップ１４３では、暖房用ポンプ１５を起動する。
【００３８】
ステップ１４４では、ヒータコア１４を通常制御にする。
ステップ１４５では、電気ヒータ１３を通常制御にする。ステップ１３１に進む。
ステップ１４６では、このシステムフローチャートを終了する。
【００３９】
また、図６に、図４及び図５で説明したシステムフローチャートで行われている燃料電池温度に対応する夫々のユニット動作をまとめたものを示す。
【００４０】
このように、本発明では以下の効果を得る。
電気ヒータ１３を暖房用循環路Ｈに備えることで、暖房用不凍液が加温され、熱交換により循環路を流れる不凍液を加温でき、燃料電池１を備える循環路に燃焼器（加熱手段）のみを備える場合と比べると、不凍液の温度が走行可能温度になるまでの時間が短縮できる。また、発電可能温度後は電気ヒータ１３を起動することで、走行可能温度前に暖房の使用が可能であり、且つ燃料電池１の暖気ができる。
【００４１】
燃料電池１、燃焼器４、暖房用熱交換器８の順で循環路を構成し、温度に応じて燃焼器４の下流の暖気したい箇所に不凍液が流れるようするので、暖気したい箇所以外で放熱することを最小限にし、燃焼器４の熱エネルギーを有効に用いることができる。
【００４２】
バルブＩ，ＩＩを操作して不凍液の流れ方向を変える際、一旦ポンプ９を停止させるので、バルブＩ，ＩＩでの不凍液の水激を防止できる。
燃料電池１に流れる不凍液を常に一定方向に流すことで、不凍液の圧力と燃料ガス及び空気の圧力を一定範囲に抑えることができる。
【００４３】
本実施形態では熱交換媒体及び暖房用熱交換媒体として不凍液を用いたが、熱交換媒体として機能する流体であれば如何なる流体でもよく、例えば水などにしてもよい。
【００４４】
本実施形態では循環方向切替手段として一方向運転のポンプ９、循環路Ｅ，Ｆ、バルブＩ，ＩＩを用いたが、逆転可能な双方向運転のポンプを用いてもよい。この場合、燃料電池に流れる熱交換媒体の圧力と燃料電池に供給する燃料ガス及び空気の圧力を一定範囲に抑える装置を備えるか、前記装置を必要としない燃料電池を使用する必要がある。
【００４５】
本実施形態では暖房用加熱手段として電気ヒータ１３を用いたが、燃焼器４に用いる燃料ガス及び空気を用いて燃焼する燃焼器を用いてもよい。この場合、燃料電池の発電開始温度を待たずに暖房用熱交換媒体の暖気を開始できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる通常運転を示す構成図である。
【図２】本発明に係わる循環路αを示す構成図である。
【図３】本発明に係わる循環路βを示す構成図である。
【図４】本発明に係わるシステムフローチャートである。
【図５】本発明に係わるシステムフローチャートである。
【図６】本発明に係わる燃料電池温度と各ユニット動作の関係である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 燃料ガス供給装置
３ 空気供給装置
４ 燃焼器
５ 燃焼器用燃料ガス供給装置
６ 燃焼器用空気供給装置
７ 燃焼器用熱交換器
８ 暖房用熱交換器
９ ポンプ
１０ 温度センサ
１１ 三方弁
１２ ラジエータ
１３ 電気ヒータ
１４ ヒータコア
１５ 暖房用ポンプ
Ａ 循環路
Ｂ 循環路
Ｃ 循環路
Ｄ 循環路
Ｅ 循環路
Ｆ 循環路
Ｉ バルブ
ＩＩ バルブ

Claims (5)

1. 車載した熱交換媒体の循環路に、燃料電池、前記熱交換媒体を加熱可能な加熱手段、前記熱交換媒体を暖房用熱交換媒体と熱交換を行う熱交換手段の順に備え、また前記循環路の任意の箇所に前記熱交換媒体の温度を測定する温度測定手段、前記熱交換媒体を循環させる循環装置、及び前記温度測定手段の測定温度に基づいて、前記熱交換媒体を正逆何れかの方向に切換えて循環させる循環方向切替手段を備えた燃料電池システムにおいて、前記暖房用熱交換媒体が流れる暖房用循環路に、少なくとも前記暖房用熱交換媒体を加熱可能な暖房用加熱手段と前記熱交換媒体の熱を利用して仕事をする暖房手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１の燃料電池システムにおいて、前記循環方向切替手段は、前記熱交換媒体を前記燃料電池、前記循環装置に一定方向に流し、また前記加熱手段と前記熱交換手段を流れる前記熱交換媒体の流れる方向を切替可能な構成とすることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１の燃料電池システムにおいて、前記温度測定手段で測定される温度が、第一の所定温度未満の場合は前記熱交換手段、前記加熱手段、前記燃料電池の順に、また第一の所定温度以上の場合は前記加熱手段、前記熱交換器、前記燃料電池の順に夫々前記熱交換媒体を循環させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３の燃料電池システムにおいて、前記温度測定手段で測定される温度が、第一の所定温度より低い温度である第二の所定温度以上の場合は、前記暖房用加熱手段の加熱を開始することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２の燃料電池システムにおいて、前記循環手段をポンプとし、一旦前記ポンプを停止してから前記循環方向切替手段を操作することを特徴とする燃料電池システム。

Images