JP2004319265A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池１の解凍を正確に判断できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】冷却液との熱交換により温度を調整される燃料電池１と、燃料電池１へ流通する冷却液を加温する加熱手段３を備える。また、燃料電池１の入口の冷却液温度Ｔｉを検出する入口温度検出手段７と、燃料電池１の出口の冷却液温度Ｔｏを検出する出口温度検出手段８を備える。少なくとも燃料電池１の凍結時には、加熱手段３により加熱した冷却液を燃料電池１に循環させる。また、入口温度Ｔｉと、出口温度Ｔｏに基づき、燃料電池１が解凍されたか否かを判断する。
【選択図】 図１
【解決手段】冷却液との熱交換により温度を調整される燃料電池１と、燃料電池１へ流通する冷却液を加温する加熱手段３を備える。また、燃料電池１の入口の冷却液温度Ｔｉを検出する入口温度検出手段７と、燃料電池１の出口の冷却液温度Ｔｏを検出する出口温度検出手段８を備える。少なくとも燃料電池１の凍結時には、加熱手段３により加熱した冷却液を燃料電池１に循環させる。また、入口温度Ｔｉと、出口温度Ｔｏに基づき、燃料電池１が解凍されたか否かを判断する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、加熱装置によって加温される冷却液を燃料電池と熱交換させることによって、燃料電池を暖機する起動装置を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池が出力可能な電力は、燃料電池の温度に依存する。特に氷点下時には、電解質膜加湿のための水が凍っていると、発電特性が低下して出力可能な電力は低下する。無理に電力を取り出そうとすると、電解質膜に負担がかかり、劣化することがある。そこで、氷点下から燃料電池を起動する場合には、燃料電池の暖機が必要となる。
【０００３】
従来の燃料電池として、始動冷機時の暖機を行うシステムを備えたものが知られている。例えば、燃料電池から吐出された余剰空気に含まれる反応水を回収する貯水タンクに、ヒータを内蔵したものがある。始動冷機時には、バッテリあるいは燃料電池からヒータに電力の供給が行われ、ヒータによって冷却液を加熱することにより燃料電池の暖機を促進している（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−９４２０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
上述した従来技術においては、燃料電池の温度を、燃料電池から排出された冷却液の温度に応じて判断している。冷却液温度が規定温度よりも低い場合にはヒータを用いた暖機を継続すると判断する。
【０００６】
ここで、冷却液の流量が変化したり、燃料電池の冷却液入口温度が変化したりすると、冷却液温度が燃料電池温度まで低下しない状態で冷却液が排出され、冷却液の燃料電池出口温度が変化する可能性がある。従って、燃料電池が解凍しているか否かを判断するのが困難であるという問題が生じる。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、燃料電池の解凍を正確に判断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、冷却液との熱交換により温度を調整される燃料電池と、前記燃料電池へ流通する冷却液を加温する加熱手段と、を備える。また、前記燃料電池入口の冷却液温度を検出する冷却液入口温度検出手段と、前記燃料電池出口の冷却液温度を検出する冷却液出口温度検出手段と、を備える。少なくとも前記燃料電池の凍結時には、前記加熱手段により加熱した冷却液を前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の冷却液入口温度と、冷却液出口温度に基づき、前記燃料電池が解凍されたか否かを判断する。
【０００９】
【作用及び効果】
燃料電池の冷却液入口温度と、冷却液出口温度に基づき、燃料電池が解凍されたか否かを判断するので、燃料電池が解凍されたか否かをより正確に判断することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムおよびその制御の構成を図１に示す。
【００１１】
電気化学反応を生じることにより発電を行う燃料電池１を備える。燃料電池１のアノードには、図示しない燃料系より燃料ガスとしての水素ガスを、また燃料電池１のカソードには、図示しない空気系によりに酸化剤ガスとしての空気を供給し、以下に示す電極を進行させることにより発電を行う。
【００１２】
【式１】
【００１３】
燃料電池１では、発電に伴って熱が生じる。この熱を系外に排出して燃料電池１を適温に維持するために、燃料電池１と熱交換を行う冷却液を循環する冷却系を備える。
【００１４】
冷却系には、後述するポンプ制御手段１０によって回転数制御がなされ、冷却液を循環させるポンプ２を備える。また、起動時などに冷却液を加熱する加熱手段３を備える。加熱手段３としては、電気ヒータや水素燃焼器などを用いる。さらに、冷却液の有する熱を系外に排出するラジエータ４とラジエータファン５を備える。ラジエータファン５は、ラジエータ４に送る風量を調整するための装置である。また、冷却液を加熱手段３に供給するか、ラジエータ４に供給するかを切り換える三方弁６を備える。
【００１５】
起動時には、冷却液を加熱手段３方向に流して、加温された冷却液を燃料電池１に流すことにより燃料電池１を暖機する。燃料電池１の温度が上がってくると、冷却液をラジエータ４の方向に流し、ラジエータ４で冷やされた冷却液により燃料電池１を冷却する。なお、暖機運転を行うか否かは、図示しない制御手段により判断する。例えば、図示しない外気温度検出手段や、後述する入口温度検出手段７、または出口温度検出手段８の出力から、燃料電池１が凍結しているか否を判断する。凍結していると判断されたら、三方弁６を加熱手段３側に設定するとともに、加熱手段３を駆動することにより暖機運転を行う。
【００１６】
また、燃料電池１に供給される冷却液の温度（以下、入口温度Ｔｉ）を検出する入口温度検出手段７と、燃料電池１から排出された冷却液の温度（以下、出口温度Ｔｏ）を検出する出口温度検出手段８を備える。入口温度検出手段７、出口温度検出手段８としては、サーミスター等を用いる。入口温度検出手段７および出口温度検出手段８の出力は後述するような解凍判断を行う制御系に入力される。
【００１７】
次に、上述したような燃料電池システムの制御系について説明する。ここでは、燃料電池１が凍結していると判断された場合に行う解凍判断制御について説明する。
【００１８】
ここで、燃料電池１が出力可能な電力は、燃料電池１の温度に依存する。特に氷点下時には、電解質膜加湿のための水が凍っていると、発電特性が低下して出力可能な電力は低下する。無理に電力を取り出そうとすると、電解質膜に負担がかかり、劣化することがある。従って、取り出し電力を温度に応じて制限しなければならない。特に燃料電池１が凍っているときと、凍っていないときとでは、出力可能な電力が大きく変わってくるため、解凍判断が必要となる。なお、ここでは燃料電池１は凍結時には発電を行わず、解凍後に発電を開始する。
【００１９】
制御系として、冷却液流量目標生成手段９を備える。ここでは、例えば燃料電池１の出口温度Ｔｏに応じて、燃料電池１へ流通させる冷却液流量目標値Ｌを算出する。また、ポンプ制御手段１０を備える。ポンプ制御手段１０では、冷却液流量目標生成手段９において設定した冷却液流量目標値Ｌと、冷却液の出口温度Ｔｏに応じてポンプ２の回転数を設定する。
【００２０】
図２に、冷却液流量目標生成手段９とポンプ制御手段１０の制御ブロックを示す。冷却液流量目標生成手段９に燃料電池１の出口温度Ｔｏを入力し、冷却液流量目標値Ｌを定める。ここでは、図に示すマップ等を予め記憶しておき、これに検出した出口温度Ｔｏを入力することにより冷却液流量目標値Ｌを定める。
【００２１】
ここで、低温環境下で起動を行う場合等の冷却液温度が低い時には、冷却液の粘度が高くなり圧力が立ちやすくなる。この場合には、パワープラントの部品を保護するために、圧力が高くならないように冷却液の流量を少なめに調整する。冷却液の温度が上昇するにつれて冷却液の粘度が低くなるので、冷却液の流量を増加させる。つまり、マップに示すように、冷却液の出口温度Ｔｏが低いほど冷却液流量目標値Ｌを小さく設定する。
【００２２】
このように設定した冷却液流量目標値Ｌと燃料電池の出口温度Ｔｏをポンプ制御手段１０に入力し、これらに応じて、ポンプの回転数を決定する。ここでは、図に示すマップ等を予め記憶しておき、これに検出した出口温度Ｔｏと算出した冷却液流量目標値Ｌを入力することによりポンプ回転数を定める。マップに示すように、同じ冷却液流量を循環させるのに必要なポンプ回転数は、出口温度Ｔｏが低いほど大きくなる。また、冷却液流量目標値Ｌが大きいほど、ポンプ回転数が大きく設定される。
【００２３】
さらに、制御系として、解凍判断温度閾値設定手段１１を備える。ここでは、入口温度Ｔｉと冷却液流量に応じて、燃料電池１が解凍したか否かを判断する出口温度閾値Ｔｏｔを設定する。ここで、出口温度閾値Ｔｏｔの設定方法を図３を用いて説明する。
【００２４】
図３（ｃ）に示すように、燃料電池１の冷却液入口温度Ｔｉと冷却液流量に応じて出口温度閾値Ｔｏｔを設定する。なお、本実施形態では、冷却液流量目標値生成手段９に、流量を検出する冷却液流量検出手段の役目を兼ねさせており、冷却液の流量として冷却液流量目標値Ｌを用いる。これに替えて、直接に冷却液の流量を検出する冷却液流量検出手段を別途設けても良い。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、冷却液流量が大きくなるにつれ、冷却液が燃料電池１の温度まで冷やされきれないで排出されるようになり、出口温度Ｔｏが上昇する。よって、冷却液流量が大きくなるほど解凍判断を行う出口温度閾値Ｔｏｔを高い値に設定する。
【００２６】
また、図３（ｂ）に示すように、燃料電池１の冷却液入口温度Ｔｉが高くなるほど、冷却液が燃料電池１の温度まで低下するのに時間がかかる。よって、冷却液が燃料電池１の温度まで冷やされないで排出されるようになり、出口温度Ｔｏが上昇する。よって、燃料電池１の冷却液の入口温度Ｔｉが高くなるほど解凍判断を行う出口温度閾値Ｔｏｔを高い値に設定する。
【００２７】
実験あるいは計算等により、図３（ａ）、（ｂ）に示すような関係を明らかにしておき、図３（ｃ）に示すようなマップを記憶しておく。制御時には、図３（ｃ）のマップを用いて出口温度閾値Ｔｏｔの設定を行う。
【００２８】
さらに、制御系として解凍判断手段１２を備える。ここでは、燃料電池１が解凍したか否かの判断を行う。出口温度検出手段８で検出された出口温度Ｔｏが、解凍判断温度閾値設定手段１１で設定した出口温度閾値Ｔｏｔを超えると、燃料電池１が解凍したと判断する。
【００２９】
燃料電池１が解凍すれば出力可能な電力が大きくなる。そこで、図示しない制御手段において、燃料電池１から取り出す電力の制限値を大きな値に設定する。また、発電量が増大することにより自己発熱が増大するので、図示しない制御手段により加熱手段３の駆動を停止して、三方弁６をラジエータ側に切り換える。これにより、通常運転時の温度までの暖機を、燃料電池１の自己発熱により行うように制御する。
【００３０】
以上のように、燃料電池１への冷却液流量目標値Ｌと、燃料電池１の入口温度Ｔｉに応じて解凍判断を行うための出口温度閾値Ｔｏｔを設定する。出口温度敷地Ｔｏｔと出口温度Ｔｏを比較することにより解凍判断を行う。ここでは、燃料電池１が解凍したと判断されるまで、サンプル周期毎に上述したような制御を繰り返し行う。
【００３１】
なお、本実施形態では、燃料電池１の解凍時には発電を行っていないが、この限りではない。暖機時に弱発電を行う燃料電池１について、図３に示すようなマップを予め求めておくことで、本実施形態と同様の制御を行うことができる。
【００３２】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３３】
冷却液との熱交換により温度を調整される燃料電池１と、燃料電池１へ流通する冷却液を加温する加熱手段３を備える。また、燃料電池１の入口の冷却液温度Ｔｉを検出する入口温度検出手段７と、燃料電池１の出口の冷却液温度Ｔｏを検出する出口温度検出手段８を備える。少なくとも燃料電池１の凍結時には、加熱手段３により加熱した冷却液を燃料電池１に循環させる。また、入口温度Ｔｉと、出口温度Ｔｏに基づき、燃料電池１が解凍されたか否かを判断する。これにより、冷却液の流量変化や加熱手段３の加熱量変動などによって冷却液の入口温度Ｔｉが変化した場合においても、燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００３４】
また、燃料電池１に流れる冷却液の流量を検出する冷却液流量検出手段、ここでは冷却液流量目標値生成手段９を備える。入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏと冷却液流量目標値Ｌに基づき、燃料電池１が解凍されたか否かを判断する。これにより、冷却系の圧損の影響で冷却液の流量が変化した場合や、冷却液の入口温度Ｔｉが変化した場合においても、燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００３５】
さらに、冷却液流量目標値Ｌと入口温度Ｔｉに応じて、解凍されたか否かを判断する出口温度閾値Ｔｏｔを設定する解凍判断温度閾値設定手段１１を備える。また、出口温度検出手段８により検出された出口温度Ｔｏと、出口温度閾値Ｔｏｔとを比較して、出口温度Ｔｏが出口温度閾値Ｔｏｔを超えると、燃料電池１が解凍されたと判断する凍結判断手段１２と、を備える。これにより、燃料電池１の温度と出口温度Ｔｏの温度差を考慮して出口温度閾値Ｔｏｔを設定することができるので、燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００３６】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムおよびその制御の構成を図５に示す。本燃料電池システムにおいては、氷点下起動中にも燃料電池１において弱発電を行うように制御する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とする。以下、燃料電池１が凍結していると判断されたときに行われる解凍判断制御について説明する。
【００３８】
解凍判断手段１２では、入口温度検出手段７によって検出された入口温度Ｔｉと、出口温度検出手段８によって検出された出口温度Ｔｏに応じて凍結判断を行う。ここでは、燃料電池１の出口温度Ｔｏが入口温度Ｔｉを超えた時に、燃料電池１が解凍されたと判断する。
【００３９】
燃料電池１が凍結している時には、加熱手段３により加温された冷却液が燃料電池１に供給され、燃料電池１内を流通する際に冷却液中の熱が燃料電池１に移動することにより燃料電池１の暖機が行われる。そのため、冷却液の出口温度Ｔｏは入口温度Ｔｉよりも低くなる。このときには、冷却液の温度は、燃料電池１の弱発電による発熱よりも凍結部分による冷却の影響をより強く受ける。
【００４０】
燃料電池１が解凍されると、燃料電池１の弱発電による発熱により、冷却液の出口温度Ｔｏは入口温度Ｔｉよりも高くなる。出口温度Ｔｏが入口温度Ｔｉを超えた時に燃料電池１が解凍したと判断する。
【００４１】
ここでは、燃料電池１が解凍したと判断されるまで、入口温度Ｔｉ、出口温度Ｔｏをサンプル周期毎に検出して、解凍判断を行う。または、入口温度Ｔｉ、出口温度Ｔｏを常にモニタして、出口温度Ｔｏが入口温度Ｔｉを超えた時点で、燃料電池１が解凍したと判断してもよい。
【００４２】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４３】
燃料電池１における発電を冷機状態で始動し、出口温度Ｔｏが入口温度Ｔｉを超えた時に、燃料電池１が解凍されたと判断する解凍判断手段１２を備える。このように、燃料電池１が解凍されて温度が上昇すると、燃料電池１の発電に伴って生じる発熱により、出口温度Ｔｏは冷却液入口温度Ｔｉより高くなる、という現象を利用して、燃料電池１が解凍したことを正確に判断することができる。
【００４４】
次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池システムおよびその制御の構成を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４５】
燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とする。以下、燃料電池１が凍結していると判断されたときに行われる制御について説明する。
【００４６】
解凍判断手段１２は、解凍必要熱量算出手段１３によって算出された燃料電池１を解凍するのに必要な熱量Ｑｎと、投与熱量算出手段１４によって算出された燃料電池１の温度上昇に用いられた正味投与熱量Ｑｇｅｔに応じて解凍判断を行う。
【００４７】
解凍必要熱量算出手段１３では、燃料電池１の起動直後の温度と、容量および比熱から、燃料電池１を解凍するのに必要な熱量である解凍必要熱量Ｑｎを算出する。ここでは、起動直後の燃料電池１の温度を、例えば冷却液の出口温度Ｔｏとほぼ同じであると仮定する。つまり、出口温度検出手段８によって検出された出口温度Ｔｏと、燃料電池１の容量および比熱から、解凍必要熱量Ｑｎを算出する。なお、起動直後の燃料電池１の温度を起動直後の冷却液の入口温度Ｔｉ１とほぼ同じであると仮定して、入口温度Ｔｉ１を用いて解凍必要熱量Ｑｎを求めてもよい。起動直後にこの計算を一回行う。
【００４８】
解凍必要熱量Ｑｎを求める計算式は次式のようになる。
【００４９】
【式２】
【００５０】
なお、起動直後の出口温度ＴｏをＴｏ１（＜０℃）、凍結している燃料電池１の含有水の容量をＶｗ、氷の比熱をＣｉ、氷が水に変わる相変化に必要な単位質量あたりの熱量をＱｉｗ、構成部品の容量をＶｐ、構成部品の比熱をＣｐとする。
【００５１】
投与熱量算出手段１４では、冷却液流量目標生成手段９によって生成された冷却液流量目標値Ｌと、出口温度検出手段８により検出された出口温度Ｔｏ、入口温度検出手段７により検出された入口温度Ｔｉから、冷却液が燃料電池１に与えた投与熱量Ｑａｄｄを算出する。冷却液が燃料電池１に与えた投与熱量Ｑａｄｄから、燃料電池１から外部へ逃げる放熱分を差し引いたものを正味投与熱量Ｑｇｅｔとする。サンプル周期毎にこの算出を行う。
【００５２】
投与熱量Ｑａｄｄは、次式により求められる。
【００５３】
【式３】
【００５４】
なお、冷却液の比熱をＣ、冷却液の流量をＬ、燃料電池１の冷却液入出口温度差をΔＴ（＝Ｔｉ−Ｔｏ）とする。
【００５５】
この熱投与のうちα％の熱量が燃料電池１から外気へ逃げるとする。燃料電池１が確保した正味投与熱量Ｑｇｅｔは、投与熱量Ｑａｄｄから外気へ逃げる放熱分を差し引くことにより求められる。
【００５６】
【式４】
【００５７】
なお、断熱材により燃料電池１を囲っている場合等、燃料電池１からの放熱を無視できる場合には、正味投与熱量Ｑｇｅｔ＝投与熱量Ｑａｄｄとする。
【００５８】
このように算出した解凍必要熱量Ｑｎと、正味投与熱量Ｑｇｅｔを解凍判断手段１２に入力して解凍判断を行う。解凍判断手段１２では、解凍必要熱量Ｑｎと正味投与熱量Ｑｇｅｔとを比較する。正味投与熱量Ｑｇｅｔが解凍必要熱量Ｑｎを超えた時に、燃料電池１が解凍されたと判断する。
【００５９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果についてのみ説明する。
【００６０】
起動直後に検出された入口温度Ｔｉ１あるいは出口温度Ｔｏ１に基づいて、燃料電池１を解凍するのに必要な熱量である解凍必要熱量Ｑｎを算出する解凍必要熱量算出手段１３を備える。ここでは、起動開始時に検出された出口温度Ｔｏ１と、燃料電池１の容量と比熱から解凍必要熱量Ｑｎを算出する。また、検出された冷却液流量目標値Ｌと、入口温度Ｔｉおよび出口温度Ｔｏから冷却液が燃料電池１に与えた熱量である正味投与熱量Ｑｇｅｔ（または投与熱量Ｑａｄｄ）を算出する投与熱量算出手段１４を備える。さらに、解凍必要熱量Ｑｎと正味投与熱量Ｑｇｅｔ（または投与熱量Ｑａｄｄ）を比較して、正味投与熱量Ｑｇｅｔ（または投与熱量Ｑａｄｄ）が解凍必要熱量Ｑｎを超えると、燃料電池１が解凍された判断する凍結判断手段１２と、を備える。従って、冷却液が燃料電池１の温度まで低下する以前に排出されるような場合でも、熱量計算から燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００６１】
また、投与熱量算出手段１４では、冷却液が燃料電池へ与えた熱量である投与熱量Ｑａｄｄから燃料電池１の熱が外気へ逃げる放熱分を差し引いた熱量を正味投与熱量Ｑｇｅｔとして算出する。これにより、外気への放熱の影響を受けずに燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、燃料電池１の凍結時には弱発電を行わないとしたが、この限りではない。弱発電を行う場合には、投与熱量算出手段１４において、投与熱量Ｑａｄｄに燃料電池１の自己発熱量を加算することで、同様の熱量計算を行うことができる。
【００６３】
また、第１〜３実施形態において、燃料電池１が凍結している時のみに加熱手段３を駆動する制御について説明したが、この限りではない。解凍後にも、燃料電池１の自己発熱に加えて冷却液による暖機を行ってもよい。例えば、燃料電池１の起動に伴って加熱手段３の駆動を開始する。また、燃料電池１が凍結しているか否かを図示しない制御手段により判断する。燃料電池１が凍結していると判断された場合には、解凍判断を行う。解凍判断手段１２において、燃料電池１が解凍したと判断されたら、燃料電池１からの取り出し電力の制限を緩和する。燃料電池１の自己発熱による暖機と、冷却液による暖機とを平行に行って、燃料電池１が所定の温度、例えば通常運転時の温度に達したら加熱手段３の運転を停止して、三方弁６をラジエータ４側に切り換える。これにより、燃料電池１の暖機時間を短縮することができる。
【００６４】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムおよび制御の構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いるポンプの回転数制御のブロック図である。
【図３】第１の実施形態に用いる凍結判断のブロック図である。
【図４】第２の実施形態に用いる燃料電池システムおよび制御の構成図である。
【図５】第３の実施形態に用いる燃料電池システムおよび制御の構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 加熱手段
７ 入口温度検出手段（冷却液入口温度検出手段）
８ 出口温度検出手段（冷却液出口温度検出手段）
９ 冷却液流量目標生成手段（冷却液流量検出手段）
１１ 解凍判断温度閾値設定手段（解凍判断閾値設定手段）
１２ 解凍判断手段
１３ 解凍必要熱量算出手段
１４ 投与熱量算出手段
【産業上の利用分野】
本発明は、加熱装置によって加温される冷却液を燃料電池と熱交換させることによって、燃料電池を暖機する起動装置を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池が出力可能な電力は、燃料電池の温度に依存する。特に氷点下時には、電解質膜加湿のための水が凍っていると、発電特性が低下して出力可能な電力は低下する。無理に電力を取り出そうとすると、電解質膜に負担がかかり、劣化することがある。そこで、氷点下から燃料電池を起動する場合には、燃料電池の暖機が必要となる。
【０００３】
従来の燃料電池として、始動冷機時の暖機を行うシステムを備えたものが知られている。例えば、燃料電池から吐出された余剰空気に含まれる反応水を回収する貯水タンクに、ヒータを内蔵したものがある。始動冷機時には、バッテリあるいは燃料電池からヒータに電力の供給が行われ、ヒータによって冷却液を加熱することにより燃料電池の暖機を促進している（例えば、特許文献１、参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−９４２０２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
上述した従来技術においては、燃料電池の温度を、燃料電池から排出された冷却液の温度に応じて判断している。冷却液温度が規定温度よりも低い場合にはヒータを用いた暖機を継続すると判断する。
【０００６】
ここで、冷却液の流量が変化したり、燃料電池の冷却液入口温度が変化したりすると、冷却液温度が燃料電池温度まで低下しない状態で冷却液が排出され、冷却液の燃料電池出口温度が変化する可能性がある。従って、燃料電池が解凍しているか否かを判断するのが困難であるという問題が生じる。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、燃料電池の解凍を正確に判断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、冷却液との熱交換により温度を調整される燃料電池と、前記燃料電池へ流通する冷却液を加温する加熱手段と、を備える。また、前記燃料電池入口の冷却液温度を検出する冷却液入口温度検出手段と、前記燃料電池出口の冷却液温度を検出する冷却液出口温度検出手段と、を備える。少なくとも前記燃料電池の凍結時には、前記加熱手段により加熱した冷却液を前記燃料電池に循環させ、前記燃料電池の冷却液入口温度と、冷却液出口温度に基づき、前記燃料電池が解凍されたか否かを判断する。
【０００９】
【作用及び効果】
燃料電池の冷却液入口温度と、冷却液出口温度に基づき、燃料電池が解凍されたか否かを判断するので、燃料電池が解凍されたか否かをより正確に判断することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムおよびその制御の構成を図１に示す。
【００１１】
電気化学反応を生じることにより発電を行う燃料電池１を備える。燃料電池１のアノードには、図示しない燃料系より燃料ガスとしての水素ガスを、また燃料電池１のカソードには、図示しない空気系によりに酸化剤ガスとしての空気を供給し、以下に示す電極を進行させることにより発電を行う。
【００１２】
【式１】
燃料電池１では、発電に伴って熱が生じる。この熱を系外に排出して燃料電池１を適温に維持するために、燃料電池１と熱交換を行う冷却液を循環する冷却系を備える。
【００１４】
冷却系には、後述するポンプ制御手段１０によって回転数制御がなされ、冷却液を循環させるポンプ２を備える。また、起動時などに冷却液を加熱する加熱手段３を備える。加熱手段３としては、電気ヒータや水素燃焼器などを用いる。さらに、冷却液の有する熱を系外に排出するラジエータ４とラジエータファン５を備える。ラジエータファン５は、ラジエータ４に送る風量を調整するための装置である。また、冷却液を加熱手段３に供給するか、ラジエータ４に供給するかを切り換える三方弁６を備える。
【００１５】
起動時には、冷却液を加熱手段３方向に流して、加温された冷却液を燃料電池１に流すことにより燃料電池１を暖機する。燃料電池１の温度が上がってくると、冷却液をラジエータ４の方向に流し、ラジエータ４で冷やされた冷却液により燃料電池１を冷却する。なお、暖機運転を行うか否かは、図示しない制御手段により判断する。例えば、図示しない外気温度検出手段や、後述する入口温度検出手段７、または出口温度検出手段８の出力から、燃料電池１が凍結しているか否を判断する。凍結していると判断されたら、三方弁６を加熱手段３側に設定するとともに、加熱手段３を駆動することにより暖機運転を行う。
【００１６】
また、燃料電池１に供給される冷却液の温度（以下、入口温度Ｔｉ）を検出する入口温度検出手段７と、燃料電池１から排出された冷却液の温度（以下、出口温度Ｔｏ）を検出する出口温度検出手段８を備える。入口温度検出手段７、出口温度検出手段８としては、サーミスター等を用いる。入口温度検出手段７および出口温度検出手段８の出力は後述するような解凍判断を行う制御系に入力される。
【００１７】
次に、上述したような燃料電池システムの制御系について説明する。ここでは、燃料電池１が凍結していると判断された場合に行う解凍判断制御について説明する。
【００１８】
ここで、燃料電池１が出力可能な電力は、燃料電池１の温度に依存する。特に氷点下時には、電解質膜加湿のための水が凍っていると、発電特性が低下して出力可能な電力は低下する。無理に電力を取り出そうとすると、電解質膜に負担がかかり、劣化することがある。従って、取り出し電力を温度に応じて制限しなければならない。特に燃料電池１が凍っているときと、凍っていないときとでは、出力可能な電力が大きく変わってくるため、解凍判断が必要となる。なお、ここでは燃料電池１は凍結時には発電を行わず、解凍後に発電を開始する。
【００１９】
制御系として、冷却液流量目標生成手段９を備える。ここでは、例えば燃料電池１の出口温度Ｔｏに応じて、燃料電池１へ流通させる冷却液流量目標値Ｌを算出する。また、ポンプ制御手段１０を備える。ポンプ制御手段１０では、冷却液流量目標生成手段９において設定した冷却液流量目標値Ｌと、冷却液の出口温度Ｔｏに応じてポンプ２の回転数を設定する。
【００２０】
図２に、冷却液流量目標生成手段９とポンプ制御手段１０の制御ブロックを示す。冷却液流量目標生成手段９に燃料電池１の出口温度Ｔｏを入力し、冷却液流量目標値Ｌを定める。ここでは、図に示すマップ等を予め記憶しておき、これに検出した出口温度Ｔｏを入力することにより冷却液流量目標値Ｌを定める。
【００２１】
ここで、低温環境下で起動を行う場合等の冷却液温度が低い時には、冷却液の粘度が高くなり圧力が立ちやすくなる。この場合には、パワープラントの部品を保護するために、圧力が高くならないように冷却液の流量を少なめに調整する。冷却液の温度が上昇するにつれて冷却液の粘度が低くなるので、冷却液の流量を増加させる。つまり、マップに示すように、冷却液の出口温度Ｔｏが低いほど冷却液流量目標値Ｌを小さく設定する。
【００２２】
このように設定した冷却液流量目標値Ｌと燃料電池の出口温度Ｔｏをポンプ制御手段１０に入力し、これらに応じて、ポンプの回転数を決定する。ここでは、図に示すマップ等を予め記憶しておき、これに検出した出口温度Ｔｏと算出した冷却液流量目標値Ｌを入力することによりポンプ回転数を定める。マップに示すように、同じ冷却液流量を循環させるのに必要なポンプ回転数は、出口温度Ｔｏが低いほど大きくなる。また、冷却液流量目標値Ｌが大きいほど、ポンプ回転数が大きく設定される。
【００２３】
さらに、制御系として、解凍判断温度閾値設定手段１１を備える。ここでは、入口温度Ｔｉと冷却液流量に応じて、燃料電池１が解凍したか否かを判断する出口温度閾値Ｔｏｔを設定する。ここで、出口温度閾値Ｔｏｔの設定方法を図３を用いて説明する。
【００２４】
図３（ｃ）に示すように、燃料電池１の冷却液入口温度Ｔｉと冷却液流量に応じて出口温度閾値Ｔｏｔを設定する。なお、本実施形態では、冷却液流量目標値生成手段９に、流量を検出する冷却液流量検出手段の役目を兼ねさせており、冷却液の流量として冷却液流量目標値Ｌを用いる。これに替えて、直接に冷却液の流量を検出する冷却液流量検出手段を別途設けても良い。
【００２５】
図３（ａ）に示すように、冷却液流量が大きくなるにつれ、冷却液が燃料電池１の温度まで冷やされきれないで排出されるようになり、出口温度Ｔｏが上昇する。よって、冷却液流量が大きくなるほど解凍判断を行う出口温度閾値Ｔｏｔを高い値に設定する。
【００２６】
また、図３（ｂ）に示すように、燃料電池１の冷却液入口温度Ｔｉが高くなるほど、冷却液が燃料電池１の温度まで低下するのに時間がかかる。よって、冷却液が燃料電池１の温度まで冷やされないで排出されるようになり、出口温度Ｔｏが上昇する。よって、燃料電池１の冷却液の入口温度Ｔｉが高くなるほど解凍判断を行う出口温度閾値Ｔｏｔを高い値に設定する。
【００２７】
実験あるいは計算等により、図３（ａ）、（ｂ）に示すような関係を明らかにしておき、図３（ｃ）に示すようなマップを記憶しておく。制御時には、図３（ｃ）のマップを用いて出口温度閾値Ｔｏｔの設定を行う。
【００２８】
さらに、制御系として解凍判断手段１２を備える。ここでは、燃料電池１が解凍したか否かの判断を行う。出口温度検出手段８で検出された出口温度Ｔｏが、解凍判断温度閾値設定手段１１で設定した出口温度閾値Ｔｏｔを超えると、燃料電池１が解凍したと判断する。
【００２９】
燃料電池１が解凍すれば出力可能な電力が大きくなる。そこで、図示しない制御手段において、燃料電池１から取り出す電力の制限値を大きな値に設定する。また、発電量が増大することにより自己発熱が増大するので、図示しない制御手段により加熱手段３の駆動を停止して、三方弁６をラジエータ側に切り換える。これにより、通常運転時の温度までの暖機を、燃料電池１の自己発熱により行うように制御する。
【００３０】
以上のように、燃料電池１への冷却液流量目標値Ｌと、燃料電池１の入口温度Ｔｉに応じて解凍判断を行うための出口温度閾値Ｔｏｔを設定する。出口温度敷地Ｔｏｔと出口温度Ｔｏを比較することにより解凍判断を行う。ここでは、燃料電池１が解凍したと判断されるまで、サンプル周期毎に上述したような制御を繰り返し行う。
【００３１】
なお、本実施形態では、燃料電池１の解凍時には発電を行っていないが、この限りではない。暖機時に弱発電を行う燃料電池１について、図３に示すようなマップを予め求めておくことで、本実施形態と同様の制御を行うことができる。
【００３２】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００３３】
冷却液との熱交換により温度を調整される燃料電池１と、燃料電池１へ流通する冷却液を加温する加熱手段３を備える。また、燃料電池１の入口の冷却液温度Ｔｉを検出する入口温度検出手段７と、燃料電池１の出口の冷却液温度Ｔｏを検出する出口温度検出手段８を備える。少なくとも燃料電池１の凍結時には、加熱手段３により加熱した冷却液を燃料電池１に循環させる。また、入口温度Ｔｉと、出口温度Ｔｏに基づき、燃料電池１が解凍されたか否かを判断する。これにより、冷却液の流量変化や加熱手段３の加熱量変動などによって冷却液の入口温度Ｔｉが変化した場合においても、燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００３４】
また、燃料電池１に流れる冷却液の流量を検出する冷却液流量検出手段、ここでは冷却液流量目標値生成手段９を備える。入口温度Ｔｉと出口温度Ｔｏと冷却液流量目標値Ｌに基づき、燃料電池１が解凍されたか否かを判断する。これにより、冷却系の圧損の影響で冷却液の流量が変化した場合や、冷却液の入口温度Ｔｉが変化した場合においても、燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００３５】
さらに、冷却液流量目標値Ｌと入口温度Ｔｉに応じて、解凍されたか否かを判断する出口温度閾値Ｔｏｔを設定する解凍判断温度閾値設定手段１１を備える。また、出口温度検出手段８により検出された出口温度Ｔｏと、出口温度閾値Ｔｏｔとを比較して、出口温度Ｔｏが出口温度閾値Ｔｏｔを超えると、燃料電池１が解凍されたと判断する凍結判断手段１２と、を備える。これにより、燃料電池１の温度と出口温度Ｔｏの温度差を考慮して出口温度閾値Ｔｏｔを設定することができるので、燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００３６】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムおよびその制御の構成を図５に示す。本燃料電池システムにおいては、氷点下起動中にも燃料電池１において弱発電を行うように制御する。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とする。以下、燃料電池１が凍結していると判断されたときに行われる解凍判断制御について説明する。
【００３８】
解凍判断手段１２では、入口温度検出手段７によって検出された入口温度Ｔｉと、出口温度検出手段８によって検出された出口温度Ｔｏに応じて凍結判断を行う。ここでは、燃料電池１の出口温度Ｔｏが入口温度Ｔｉを超えた時に、燃料電池１が解凍されたと判断する。
【００３９】
燃料電池１が凍結している時には、加熱手段３により加温された冷却液が燃料電池１に供給され、燃料電池１内を流通する際に冷却液中の熱が燃料電池１に移動することにより燃料電池１の暖機が行われる。そのため、冷却液の出口温度Ｔｏは入口温度Ｔｉよりも低くなる。このときには、冷却液の温度は、燃料電池１の弱発電による発熱よりも凍結部分による冷却の影響をより強く受ける。
【００４０】
燃料電池１が解凍されると、燃料電池１の弱発電による発熱により、冷却液の出口温度Ｔｏは入口温度Ｔｉよりも高くなる。出口温度Ｔｏが入口温度Ｔｉを超えた時に燃料電池１が解凍したと判断する。
【００４１】
ここでは、燃料電池１が解凍したと判断されるまで、入口温度Ｔｉ、出口温度Ｔｏをサンプル周期毎に検出して、解凍判断を行う。または、入口温度Ｔｉ、出口温度Ｔｏを常にモニタして、出口温度Ｔｏが入口温度Ｔｉを超えた時点で、燃料電池１が解凍したと判断してもよい。
【００４２】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４３】
燃料電池１における発電を冷機状態で始動し、出口温度Ｔｏが入口温度Ｔｉを超えた時に、燃料電池１が解凍されたと判断する解凍判断手段１２を備える。このように、燃料電池１が解凍されて温度が上昇すると、燃料電池１の発電に伴って生じる発熱により、出口温度Ｔｏは冷却液入口温度Ｔｉより高くなる、という現象を利用して、燃料電池１が解凍したことを正確に判断することができる。
【００４４】
次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池システムおよびその制御の構成を図５に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４５】
燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とする。以下、燃料電池１が凍結していると判断されたときに行われる制御について説明する。
【００４６】
解凍判断手段１２は、解凍必要熱量算出手段１３によって算出された燃料電池１を解凍するのに必要な熱量Ｑｎと、投与熱量算出手段１４によって算出された燃料電池１の温度上昇に用いられた正味投与熱量Ｑｇｅｔに応じて解凍判断を行う。
【００４７】
解凍必要熱量算出手段１３では、燃料電池１の起動直後の温度と、容量および比熱から、燃料電池１を解凍するのに必要な熱量である解凍必要熱量Ｑｎを算出する。ここでは、起動直後の燃料電池１の温度を、例えば冷却液の出口温度Ｔｏとほぼ同じであると仮定する。つまり、出口温度検出手段８によって検出された出口温度Ｔｏと、燃料電池１の容量および比熱から、解凍必要熱量Ｑｎを算出する。なお、起動直後の燃料電池１の温度を起動直後の冷却液の入口温度Ｔｉ１とほぼ同じであると仮定して、入口温度Ｔｉ１を用いて解凍必要熱量Ｑｎを求めてもよい。起動直後にこの計算を一回行う。
【００４８】
解凍必要熱量Ｑｎを求める計算式は次式のようになる。
【００４９】
【式２】
なお、起動直後の出口温度ＴｏをＴｏ１（＜０℃）、凍結している燃料電池１の含有水の容量をＶｗ、氷の比熱をＣｉ、氷が水に変わる相変化に必要な単位質量あたりの熱量をＱｉｗ、構成部品の容量をＶｐ、構成部品の比熱をＣｐとする。
【００５１】
投与熱量算出手段１４では、冷却液流量目標生成手段９によって生成された冷却液流量目標値Ｌと、出口温度検出手段８により検出された出口温度Ｔｏ、入口温度検出手段７により検出された入口温度Ｔｉから、冷却液が燃料電池１に与えた投与熱量Ｑａｄｄを算出する。冷却液が燃料電池１に与えた投与熱量Ｑａｄｄから、燃料電池１から外部へ逃げる放熱分を差し引いたものを正味投与熱量Ｑｇｅｔとする。サンプル周期毎にこの算出を行う。
【００５２】
投与熱量Ｑａｄｄは、次式により求められる。
【００５３】
【式３】
なお、冷却液の比熱をＣ、冷却液の流量をＬ、燃料電池１の冷却液入出口温度差をΔＴ（＝Ｔｉ−Ｔｏ）とする。
【００５５】
この熱投与のうちα％の熱量が燃料電池１から外気へ逃げるとする。燃料電池１が確保した正味投与熱量Ｑｇｅｔは、投与熱量Ｑａｄｄから外気へ逃げる放熱分を差し引くことにより求められる。
【００５６】
【式４】
なお、断熱材により燃料電池１を囲っている場合等、燃料電池１からの放熱を無視できる場合には、正味投与熱量Ｑｇｅｔ＝投与熱量Ｑａｄｄとする。
【００５８】
このように算出した解凍必要熱量Ｑｎと、正味投与熱量Ｑｇｅｔを解凍判断手段１２に入力して解凍判断を行う。解凍判断手段１２では、解凍必要熱量Ｑｎと正味投与熱量Ｑｇｅｔとを比較する。正味投与熱量Ｑｇｅｔが解凍必要熱量Ｑｎを超えた時に、燃料電池１が解凍されたと判断する。
【００５９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果についてのみ説明する。
【００６０】
起動直後に検出された入口温度Ｔｉ１あるいは出口温度Ｔｏ１に基づいて、燃料電池１を解凍するのに必要な熱量である解凍必要熱量Ｑｎを算出する解凍必要熱量算出手段１３を備える。ここでは、起動開始時に検出された出口温度Ｔｏ１と、燃料電池１の容量と比熱から解凍必要熱量Ｑｎを算出する。また、検出された冷却液流量目標値Ｌと、入口温度Ｔｉおよび出口温度Ｔｏから冷却液が燃料電池１に与えた熱量である正味投与熱量Ｑｇｅｔ（または投与熱量Ｑａｄｄ）を算出する投与熱量算出手段１４を備える。さらに、解凍必要熱量Ｑｎと正味投与熱量Ｑｇｅｔ（または投与熱量Ｑａｄｄ）を比較して、正味投与熱量Ｑｇｅｔ（または投与熱量Ｑａｄｄ）が解凍必要熱量Ｑｎを超えると、燃料電池１が解凍された判断する凍結判断手段１２と、を備える。従って、冷却液が燃料電池１の温度まで低下する以前に排出されるような場合でも、熱量計算から燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００６１】
また、投与熱量算出手段１４では、冷却液が燃料電池へ与えた熱量である投与熱量Ｑａｄｄから燃料電池１の熱が外気へ逃げる放熱分を差し引いた熱量を正味投与熱量Ｑｇｅｔとして算出する。これにより、外気への放熱の影響を受けずに燃料電池１が解凍したか否かを正確に判断することができる。
【００６２】
なお、本実施形態では、燃料電池１の凍結時には弱発電を行わないとしたが、この限りではない。弱発電を行う場合には、投与熱量算出手段１４において、投与熱量Ｑａｄｄに燃料電池１の自己発熱量を加算することで、同様の熱量計算を行うことができる。
【００６３】
また、第１〜３実施形態において、燃料電池１が凍結している時のみに加熱手段３を駆動する制御について説明したが、この限りではない。解凍後にも、燃料電池１の自己発熱に加えて冷却液による暖機を行ってもよい。例えば、燃料電池１の起動に伴って加熱手段３の駆動を開始する。また、燃料電池１が凍結しているか否かを図示しない制御手段により判断する。燃料電池１が凍結していると判断された場合には、解凍判断を行う。解凍判断手段１２において、燃料電池１が解凍したと判断されたら、燃料電池１からの取り出し電力の制限を緩和する。燃料電池１の自己発熱による暖機と、冷却液による暖機とを平行に行って、燃料電池１が所定の温度、例えば通常運転時の温度に達したら加熱手段３の運転を停止して、三方弁６をラジエータ４側に切り換える。これにより、燃料電池１の暖機時間を短縮することができる。
【００６４】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムおよび制御の構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いるポンプの回転数制御のブロック図である。
【図３】第１の実施形態に用いる凍結判断のブロック図である。
【図４】第２の実施形態に用いる燃料電池システムおよび制御の構成図である。
【図５】第３の実施形態に用いる燃料電池システムおよび制御の構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 加熱手段
７ 入口温度検出手段（冷却液入口温度検出手段）
８ 出口温度検出手段（冷却液出口温度検出手段）
９ 冷却液流量目標生成手段（冷却液流量検出手段）
１１ 解凍判断温度閾値設定手段（解凍判断閾値設定手段）
１２ 解凍判断手段
１３ 解凍必要熱量算出手段
１４ 投与熱量算出手段
Claims (6)
- 冷却液との熱交換により温度を調整される燃料電池と、
前記燃料電池へ流通する冷却液を加温する加熱手段と、
前記燃料電池入口の冷却液温度を検出する冷却液入口温度検出手段と、
前記燃料電池出口の冷却液温度を検出する冷却液出口温度検出手段と、を備え、
少なくとも前記燃料電池の凍結時には、前記加熱手段により加熱した冷却液を前記燃料電池に循環させ、
前記燃料電池の冷却液入口温度と、冷却液出口温度に基づき、前記燃料電池が解凍されたか否かを判断することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池に流れる冷却液の流量を検出する冷却液流量検出手段を備え、
前記燃料電池の冷却液入口温度と冷却液出口温度と冷却液流量に基づき、前記燃料電池が解凍されたか否かを判断する請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記冷却液流量と前記冷却液入口温度に応じて、解凍されたか否かを判断する燃料電池出口冷却液閾値を設定する解凍判断閾値設定手段と、
前記冷却液出口温度検出手段により検出された冷却液出口温度と、前記燃料電池出口冷却液閾値とを比較して、前記冷却液出口温度が前記燃料電池出口冷却液閾値を超えると、前記燃料電池が解凍されたと判断する前記凍結判断手段と、を備える請求項２に記載の燃料電池システム。 - 起動直後に検出された前記冷却液入口温度あるいは冷却液出口温度に基づいて、前記燃料電池を解凍するのに必要な熱量である解凍必要熱量を算出する解凍必要熱量算出手段と、
検出された冷却液流量と、前記冷却液入口温度および冷却液出口温度から冷却液が前記燃料電池に与えた熱量である投与熱量を算出する投与熱量算出手段と、
前記解凍必要熱量と前記投与熱量を比較して、前記投与熱量が前記解凍必要熱量を超えると、前記燃料電池が解凍された判断する凍結判断手段と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記投与熱量算出手段では、冷却液が前記燃料電池へ与えた熱量から前記燃料電池の熱が外気へ逃げる放熱分を差し引いた熱量を前記投与熱量として算出する請求項４に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池における発電を冷機状態で始動し、
前記冷却液出口温度が前記冷却液入口温度を超えた時に、燃料電池が解凍されたと判断する前記解凍判断手段を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
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