JP2005276568A - 燃料電池システム及び燃料電池スタックの内部温度把握方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】氷点下環境で燃料電池スタックを起動する際に、過剰な昇温を抑制して、発電に伴う発熱により燃料電池スタック内を加熱することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムのコントローラに備えられた冷却制御手段は、ＳＴＥＰ１で冷媒通路の燃料電池スタックの入口付近の冷媒の温度Ｔwinが０℃以下であったときは、ＳＴＥＰ８でＴwinが０℃を超えるまで、ＳＴＥＰ９で冷却ポンプを停止させて冷媒通路内の冷媒の循環を停止する「冷却停止サイクル」と、ＳＴＥＰ１０で所定時間が経過したときにＳＴＥＰ１１で冷却ポンプを作動させて冷媒通路内に冷媒を循環させる「冷却実行サイクル」とを交互に繰り返し実行する「冷媒間欠循環処理」を実行する。「冷却実行サイクル」のＳＴＥＰ７で、燃料電池スタックの内部温度Ｔseが燃料電池スタックの保証温度を超えたときに、冷却制御手段は、ＳＴＥＰ３０に進んで「冷媒間欠循環処理」を中止して冷媒を連続的に循環させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、氷点下環境における発電に対応した燃料電池システム、及び氷点下環境における燃料電池スタックの内部温度把握方法に関する。

図４に示したように、固体高分子型の燃料電池セル１００には、固体高分子電解質膜１０１と、その両側に設けられた触媒作用をもった水素電極１０２及び酸素電極１０３と、各電極１０２，１０３との間で反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）の供給路を形成するセパレータ１０４及び１０５とが備えられている。

そして、セパレータ１０４により形成された供給路１０６に供給された水素ガスＨ₂は、水素電極１０２で電子ｅ^-を放出して水素イオンＨ⁺となり、該水素イオンＨ⁺が固体高分子電解質膜１０１中を伝導する。一方、酸素電極１０３においては、セパレータ１０５により形成された供給路１０７に供給された空気中の酸素ガスＯ₂と酸素電極１０３から供給される電子ｅ^-と水素イオンＨ⁺とにより、以下の式（１）の反応が生じて水Ｈ₂Ｏが生成される。

１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ ・・・・・（１）
ここで、氷点下環境で燃料電池セル１００を起動するときは、上記式（１）で生成された水が酸素電極１０３で凍結して、高分子電解質膜１０１における水素イオンＨ⁺の伝導率が低下し、燃料電池セル１００の発電能力が低下するという不都合がある。

かかる不都合を解消するべく、氷点下環境で燃料電池スタックを起動する際に、燃料電セルを冷却するために設けられた冷媒通路中の冷媒の循環を停止して、冷媒通路から冷媒を抜き取るようにした方法が提案されている（特許文献１，２参照）。この方法によれば、燃料電池スタック１００の加熱が促進される。
特表２０００−５１２０６８号公報（第１０−１１頁） 特開２００３−２５７４６０号公報（第７−８頁）

冷媒通路中の冷媒を抜き取って燃料電池スタックを起動させた場合、燃料電池スタックの発電に伴う発熱により、燃料電池スタックの内部温度が急速に上昇する。そして、冷媒の循環による冷却を開始するタイミングが遅れると、燃料電池スタックの内部温度が燃料電池スタックの保証温度を超えて膜電極構造体等が過剰に上昇し、燃料電池スタックを劣化させる原因となるという不都合があった。

そこで、本発明は、上記不都合を解消し、氷点下環境で燃料電池スタックを起動する際に、過剰な昇温を抑制して、発電に伴う発熱により燃料電池スタック内を加熱することができる燃料電池システム、及び氷点下環境で燃料電池スタックを起動する際に、燃料電池スタックの内部温度を把握するための方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためのなされたものであり、固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタック内に設けられた冷媒通路の入口から冷媒を供給すると共に該冷媒通路の出口から冷媒を回収して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備えた燃料電池システムの改良に関する。

そして、該冷媒温度検出手段の検出温度が０℃以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内の冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルとを、交互に繰り返す冷媒間欠循環処理を実行する冷却制御手段と、前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒温度検出手段の検出温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握するスタック内部温度把握手段と、該スタック内部温度把握手段により把握された前記燃料電池スタックの内部温度が、前記燃料電池スタックの保証温度を超えているか否かを監視するスタック内部温度監視手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記冷媒温度検出手段の検出温度が０℃以下であって、前記燃料電池スタックを起動させたときに、燃料電池セルで生成される水が凍結し得る状況であるときには、前記冷却制御手段により前記冷媒間欠循環処理が実行される。そして、前記冷媒間欠循環処理の冷却停止サイクルにおいては、冷媒の循環が停止されるため、冷媒が循環される前記冷却実行サイクルよりも、前記燃料電池スタックからの吸熱が減少して前記燃料電池スタックの加熱を促進させることができる。

また、前記冷却実行サイクルにおいては、前記冷媒通路内を循環する冷媒により前記燃料電池スタックから吸熱されて冷媒の温度が上がるため、前記燃料電池スタックの内部温度の変化に応じて前記冷媒温度検出手段により検出される冷媒の温度が変化する。そのため、前記スタック内部温度把握手段は、前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒温度検出手段の検出温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握することができる。そして、前記スタック内部温度監視手段により、前記スタック内部温度把握手段により把握された前記燃料電池スタックの内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度を超えているか否かが監視されるため、燃料電池スタックの内部温度が該保証温度を超えたことを検知することができる。

また、前記冷却制御手段は、前記スタック内部温度監視手段により、前記燃料電池スタックの内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度を超えていることが検知されたときに、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させることを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記燃料電池スタックの内部温度が前記保証温度を越えたときに、前記冷却制御手段は、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させる。これにより、前記冷媒通路内を循環する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量が増加して、前記燃料電池スタックの冷却が促進され、前記燃料電池スタックの内部温度を速やかに低下させて前記燃料電池スタックを保護することができる。

また、前記冷媒間欠循環処理の実行が中止されて、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内の冷媒の連続的な循環が開始されたときに、前記燃料電池スタックの発電を停止する発電禁止手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記発電禁止手段により前記燃料電池スタックの発電を停止することで、発電に伴う発熱がなくなるため、前記燃料電池スタックの内部温度の低下をさらに促進することができる。

また、本発明の燃料電池スタックの内部温度把握方法は、固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタック内に設けられた冷媒通路の入口から冷媒を供給すると共に該冷媒通路の出口から冷媒を回収して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握する方法であって、前記冷媒通路中の冷媒の温度が０℃以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内の冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルとを、交互に繰り返す冷媒間欠循環処理を実行し、前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒通路内の冷媒の温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記冷媒通路中の冷媒の温度が０℃以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒通路内に冷媒を間欠的に循環させる前記冷媒間欠循環処理が実行される。そして、前記冷却実行サイクルにおいては、前記冷媒通路を介して前記燃料電池スタック内を冷媒が循環するため、前記冷媒通路内の冷媒の温度は前記燃料電池スタックの内部温度の変化に応じて変化する。したがって、前記冷媒通路内の冷媒の温度に基づいて前記燃料電池のスタック温度を把握することができる、

本発明の実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は燃料電池システムの全体構成図、図２は燃料電池スタックの起動時の制御フローチャート、図３は燃料電池スタックの起動時に冷媒を間欠的に循環させたときの冷媒温度の推移を示したグラフである。

図１に示したように、燃料電池スタック１には、水素タンク２から水素供給管３を介して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ４から空気供給管５を介して空気が供給される。また、水素供給管３には、水素の供給量を調節する可変バルブ６と水素に加湿する加湿器８が設けられ、空気供給管５には、空気の供給量を調節する可変バルブ７と空気に加湿する加湿器９が設けられている。

さらに、燃料電池１の出力電圧Ｖfcを検出する電圧検出器１０、燃料電池１の出力電流Ｉfcを検出する電流検出器１１、燃料電池１と接続された冷媒通路１２内に冷媒を循環させて燃料電池１を冷却する冷却ポンプ１５（本発明の冷媒循環手段に相当する）、冷媒通路１２の途中に設けられた放熱器１６、燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsを検出するスタック周囲温度センサ１７、冷媒通路１２の燃料電池スタック１の入口付近における冷媒の温度Ｔwinを検出する冷媒入口温度センサ１８（本発明の冷媒温度検出手段に相当する）、冷媒通路１２の燃料電池スタック１の出口付近における冷媒の温度Ｔwoutを検出する冷媒出口温度センサ１９、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcを制御するための可変抵抗２１、及び燃料電池スタック１の作動を制御するコントローラ３０が備えられている。

そして、電圧検出器１０の電圧検出信号、電流検出器１１の電流検出信号、スタック温度センサ１７の温度検出信号、冷媒入口温度センサ１８の温度検出信号、及び冷媒出口温度センサ１９の温度検出信号がコントローラ３０に入力され、コントローラ３０から出力される制御信号によって、エアコンプレッサ４、可変バルブ６，７、加湿器８，９、冷却ポンプ１５、及び可変抵抗２１の設定、作動が制御される。

次に、燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜とその両側に設けられた触媒作用を持った水素電極及び酸素電極からなる膜電極構造体４０と、セパレータ４１とを複数積層して構成される。なお、膜電極構造体４０とその両側のセパレータ４１により、燃料電池セルの１単位が構成される。

また、コントローラ３０には、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcが電気負荷の要求電力等に応じて設定される目標電流と一致するように、燃料電池スタック１の発電量を制御する電流制御手段３１、冷却ポンプ１５による冷媒通路１２への冷媒の循環を制御する冷却制御手段３２、燃料電池スタック１の内部温度を把握するスタック内部温度把握手段３３、燃料電池スタック１の内部温度が燃料電池スタック１の保証温度を越えているか否かを監視するスタック内部温度把握手段３４、及び燃料電池スタック１の内部温度が燃料電池スタック１の保証温度を越えたときに燃料電池スタック１の発電を禁止する発電禁止手段３５が備えられている。

ここで、燃料電池スタック１の発電時には、反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）との間で化学反応が生じて、可変抵抗２１及び他の電気負荷（図示しない）に電流が供給される。また、該化学反応に伴って水が生成される。そして、氷点下環境で燃料電池スタック１を起動するときに、該化学反応により生成された水が膜電極構造体４０の表面等で凍結すると、膜電極構造体４０における水素イオンの透過率が低下して、燃料電池スタック１の起動が不能となる。或いは燃料電池スタック１の発電能力が低下する。

そこで、コントローラ３０に備えられた冷却制御手段３２とスタック内部温度監視手段３４と発電禁止手段３５は、氷点下環境での燃料電池スタック１の起動に対処するための処理を実行する。以下、図２に示したフローチャートに従って、該処理について説明する。

燃料電池スタック１の起動指示がなされると、コントローラ３０はＳＴＥＰ１で冷媒入口温度センサ１８による冷媒通路１２内の冷媒の検出温度Ｔwinが０℃を越えているか否かを判断する。そして、Ｔwinが０℃を越えていたときは、生成水が凍結するおそれがないため、ＳＴＥＰ２０に分岐して電流制御手段３１により「通常電流出力制御」を実行する。「通常電流出力制御」において、電流制御手段３１は、電気負荷からの要求電流に応じた出力電流Ｉfcが得られるように、燃料電池スタック１への水素と空気の供給流量を制御する。

一方、ＳＴＥＰ１で、冷媒入口温度センサ１８の検出温度Ｔwinが０℃以下であったときはＳＴＥＰ２に進み、コントローラ３０は燃料電池スタック１への反応ガス（水素及び空気）の投入を開始する。また、次のＳＴＥＰ３で、冷却制御手段３２は冷却ポンプ１５を作動させて冷媒通路１２内の冷媒の循環を開始し、ＳＴＥＰ４で、電流制御手段３１は燃料電池スタック１からの電流出力を開始する。

ここで、冷媒通路１２内に冷媒が循環している状態では、燃料電池スタック１内部の冷媒通路１２を通過する際に、冷媒が燃料電池スタック１の内部から吸熱するため、冷媒の温度は燃料電池スタック１の内部温度に応じて変化する。

そこで、スタック内部温度把握手段３３は、ＳＴＥＰ５で冷媒入口温度センサ１８により冷媒通路１２の燃料電池スタック１の入口付近の冷媒の温度Ｔwinを測定し、ＳＴＥＰ６でＴwinに実験やシミュレーションにより予め設定された補正値ｘを加算して、燃料電池スタック１の内部温度Ｔse（Ｔse＝Ｔwin＋ｘ）を把握する。

そして、次のＳＴＥＰ７で、燃料電池スタック１の内部温度Ｔseが燃料電池スタック１の保証温度を越えていないときはＳＴＥＰ８に進む。ＳＴＥＰ８〜ＳＴＥＰ１１は冷媒制御手段３２による処理であり、冷媒制御手段３２は、ＳＴＥＰ８で冷媒の温度Ｔwinが０℃以下であるときはＳＴＥＰ９に進み、冷媒ポンプ１５を停止して冷媒通路１２内の冷媒の循環を停止する。

そして、続くＳＴＥＰ１０で所定時間の経過を待って、ＳＴＥＰ１１で冷媒制御手段３２は冷却ポンプ１５を作動させて冷媒通路１２内の冷媒の循環を再開し、ＳＴＥＰ５に戻る。一方、ＳＴＥＰ８で冷媒の温度Ｔwinが０℃を越えたときは、ＳＴＥＰ４０に分岐して「通常電流出力制御」が実行される。

これにより、ＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ１１の処理が、ＳＴＥＰ８で冷媒の温度Ｔwinが０℃を越えるまで繰り返し実行されて、冷媒通路１２内に冷媒を循環させる「冷却実行サイクル」と冷媒通路内の冷媒の循環を停止する「冷却停止サイクル」とを、交互に繰り返し実行する「冷媒間欠循環処理」が実行される。

図３は、ＳＴＥＰ５〜ＳＴＥＰ１１の処理が繰り返されたときの冷媒の温度Ｔwinの推移を示したグラフであり、縦軸が冷媒温度Ｔwinに設定され、横軸が時間軸ｔに設定されている。そして、ｔ₁₀，ｔ₁₂，ｔ₁₄が図２のＳＴＥＰ１１で冷媒通路１２内の冷媒の循環を開始した時点であり、ｔ₁₁，ｔ₁₃，ｔ₁₅が図２のＳＴＥＰ９で冷媒通路１２内の冷媒の循環を停止した時点である。また、Ｔcoは燃料電池スタック１の保証温度である。

「冷却停止サイクル」であるβ₁（ｔ₁₁〜ｔ₁₂），β₂（ｔ₁₃〜ｔ₁₄）においては、冷媒通路１２内の冷媒の循環が停止して燃料電池スタック１内における冷媒の吸熱量が減少するため、発電に伴う発熱による燃料電池スタック１の加熱が促進される。そして、これにより、燃料電池セルの膜電極構造体４１付近で生成水の凍結が生じ、燃料電池スタック１の発電能力の低下等が生じることを防止することができる。

また、「冷却実行サイクル」であるα₁（ｔ₁₀〜ｔ₁₁），α₂（ｔ₁₂〜ｔ₁₃），α₃（ｔ₁₄〜ｔ₁₅）においては、冷媒の温度Ｔwinは燃料電池スタック１の内部温度に応じて変化するため、図２のＳＴＥＰ５，ＳＴＥＰ６で、スタック内部温度把握手段３３は、Ｔwinに基づいて燃料電池スタック１の内部温度Ｔseを推定することができる。

そして、図２のＳＴＥＰ７で燃料電池スタック１の内部温度Ｔseが燃料電池スタック１の保証温度を超えたときは、ＳＴＥＰ３０に分岐する。このとき、ＳＴＥＰ１１の処理により冷媒通路１２内には冷媒が循環した状態であるので、「冷媒間欠循環処理」の実行が中止されて冷媒が連続的に循環する状態となり、これにより冷媒による燃料電池スタック１の内部の冷却が促進される。また、ＳＴＥＰ３０で、発電禁止手段３５が燃料電池スタック１からの電流の出力を停止し、これにより発電に伴う発熱もなくなるため、燃料電池１内の温度を速やかに低下させることができる。

そして、続くＳＴＥＰ３１で所定時間の経過を待ってＳＴＥＰ３２に進み、冷媒入口温度センサ１８により冷媒の温度Ｔwinを測定して、ＳＴＥＰ８に進む。なお、ＳＴＥＰ３１における所定時間は、燃料電池スタック１の発電を停止して冷媒通路１２内に冷媒を循環させたときに、燃料電池スタック１の内部温度がスタック保証温度以下まで下がるために必要な時間を想定して決定される。

なお、本実施の形態では、本発明の冷媒温度検出手段として冷媒入口温度センサ１８を用いて、冷媒通路１２内の冷媒の温度を冷媒入口温度センサ１８の検出温度Ｔwinにより測定したが、冷媒出口温度センサ１９を用いて、冷媒通路１２内の冷媒の温度を冷媒出口温度センサ１９の検出温度Ｔwoutにより測定するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、図２のＳＴＥＰ７で燃料電池スタック１の内部温度Ｔseが燃料電池スタック１の保証温度を超えたときに、ＳＴＥＰ３０に分岐して燃料電池スタック１の電流出力を停止したが、燃料電池スタック１の電流出力を継続する場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

また、図１のＳＴＥＰ７で燃料電池スタック１の内部温度Ｔseが燃料電池スタック１の保証温度を超えたときに、異常報知を行うようにしてもよい。

燃料電池システムの全体構成図。 燃料電池スタックの起動時の制御フローチャート。 燃料電池スタックの起動時に冷媒を間欠的に循環させたときの冷媒温度の推移を示したグラフ。 燃料電池セルの構造図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…水素タンク、３…水素供給管、４…エアコンプレッサ、５…空気供給管、６，７…可変バルブ、８，９…加湿器、１０…電圧検出器、１１…電流検出器、１２…冷媒通路、１５…冷却ポンプ、１７…スタック温度センサ、１８…冷媒入口温度センサ、１９…冷媒出口温度センサ、２１…可変抵抗、３０…コントローラ、３１…電流制御手段、３２…冷却制御手段、３３…スタック内部温度把握手段、３４…スタック内部温度監視手段、３５…発電禁止手段

Claims (4)

1. 固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタック内に設けられた冷媒通路の入口から冷媒を供給すると共に該冷媒通路の出口から冷媒を回収して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備えた燃料電池システムであって、
   前記冷媒通路中の冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
   該冷媒温度検出手段の検出温度が０℃以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内の冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルとを、交互に繰り返す冷媒間欠循環処理を実行する冷却制御手段と、
   前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒温度検出手段の検出温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握するスタック内部温度把握手段と、
   該スタック内部温度把握手段により把握された前記燃料電池スタックの内部温度が、前記燃料電池スタックの保証温度を超えているか否かを監視するスタック内部温度監視手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却制御手段は、前記スタック内部温度監視手段により、前記燃料電池スタックの内部温度が前記燃料電池スタックの保証温度を超えていることが検知されたときに、前記冷媒間欠循環処理の実行を中止して、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を連続的に循環させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒間欠循環処理の実行が中止されて、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内への冷媒の連続的な循環が開始されたときに、前記燃料電池スタックの発電を停止する発電禁止手段を備えことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタック内に設けられた冷媒通路の入口から冷媒を供給すると共に該冷媒通路の出口から冷媒を回収して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握する方法であって、
   前記冷媒通路中の冷媒の温度が０℃以下である状態で前記燃料電池スタックが起動されたときに、前記冷媒循環手段により前記冷媒通路内に冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、前記冷媒循環手段による前記冷媒通路内の冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルとを、交互に繰り返す冷媒間欠循環処理を実行し、
   前記冷却実行サイクルにおける前記冷媒通路内の冷媒の温度に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握することを特徴とする燃料電池スタックの内部温度把握方法。

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