JP2006179198A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 氷点下で燃料電池システムを起動するための予熱装置或いは蓄熱装置を小型化または不要とし、発電を開始するまでの暖機時間を短縮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】 低温環境での燃料電池システムの起動時に、三方弁７，９をそれぞれバイパス流路４ａ，４ｂ側へ切り替える。次いで、ポンプ５自体の発熱、或いは図示しない加温装置により冷却媒体を加温しながら、ポンプ５，三方弁７，バイパス流路４ａ、三方弁９，バイパス流路４ｂ、ポンプ５に戻る経路で冷却媒体を昇温する。所定温度まで昇温したら、三方弁７を燃料電池スタック２側へ切り替え、燃料電池スタック２の発電を開始させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

このような燃料電池システムを氷点下の環境から始動する場合において、燃料電池スタックが暖機する前に、冷たい冷却水が燃料電池スタックに流入すると、発電による生成水が燃料電池スタック内部で凍結し、反応ガス流路を閉塞したり、固体高分子膜の水素イオン伝導を阻害して発電を継続することができない。

従来例は、予め蓄熱装置などで温めた冷却水を燃料電池スタックに流入させることにより燃料電池スタック内部を温めて発電が持続できるように改善したものである。
特開２００２−４２８４６号公報（第３頁、図１）

しかしながら、上記従来技術においては、大きい熱容量の蓄熱装置が必要になり、車両搭載性が低下するという問題点があった。

また、蓄熱装置に代えてヒータを用いた場合でも、燃料電池スタックの熱容量分を加熱するために時間がかかり、また冷却水温度もゆっくり上昇するため、大熱容量のヒータ及びその電源などが必要となるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、第一発明は、燃料電池スタックを冷却する冷却媒体が循環する主循環流路と、前記冷却媒体を循環させるポンプと、前記冷却媒体の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池スタックをバイパスして前記冷却媒体を流すバイパス流路と、前記主循環流路の一部である燃料電池スタックを通過する流路と前記バイパス流路とを切り替える切替弁と、前記冷却媒体を加温する加温装置と、前記燃料電池システムの起動時に、前記冷却媒体の温度が第一所定値以下の場合に、前記冷却媒体がバイパス流路を流れるように前記切替弁を設定して、燃料電池スタックの発電を開始させるとともに、前記加温装置を作動させて燃料電池をバイパスして循環する前記冷却媒体を加温し、前記冷却媒体の温度が前記第一所定値より大きい第二所定値以上になったら前記燃料電池スタックを通過する流路に前記切替弁を切り替える制御装置と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。

また、上記問題点を解決するために、第二発明は、燃料電池スタックを冷却する冷却媒体が循環する主循環流路と、前記冷却媒体を循環させるポンプと、前記燃料電池スタックをバイパスして前記冷却媒体を流すバイパス流路と、前記主循環流路の一部である燃料電池スタックを通過する流路と前記バイパス流路とを切り替える温度感知式切替弁と、前記冷却媒体を加温する加温装置と、前記燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックの発電を開始させるとともに、前記加温装置を作動させて前記冷却媒体を加温するように制御する制御装置と、を備え、前記温度感知式切替弁は、前記冷却媒体の温度が第一所定値以下の場合に、前記冷却媒体がバイパス流路を流れるように流路を切替えるとともに、前記冷却媒体の温度が第一所定値より大きい第二所定値以上になったら前記燃料電池スタックを通過する流路に切り替えることを要旨とする燃料電池システムである。

さらに、上記問題点を解決するために、第三発明は、燃料電池スタックを冷却する冷却媒体が循環する主循環流路と、前記冷却媒体を循環させるポンプと、前記冷却媒体の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池スタックをバイパスして前記冷却媒体を流すバイパス流路と、前記主循環流路の一部である燃料電池スタックを通過する流路と前記バイパス流路とを切り替える切替弁と、前記冷却媒体を加温する加温装置と、前記加温装置へ電力を供給する二次電源と、前記温度センサが検出した冷却媒体温度が第一所定値以下と判断した場合、前記切替弁を前記バイパス流路側へ切り替えるとともに、前記二次電源によって前記加温装置を作動させながら前記冷却媒体を循環させ、前記冷却媒体温度が第一所定値より高い第二所定値以上になったら前記切替弁を燃料電池スタック側へ切り替えた後に、前記燃料電池スタックを発電させるように制御する制御装置と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。

第一発明によれば、氷点下などの低温時に燃料電池システムを起動させる際、燃料電池スタックをバイパスして冷却媒体を循環させる状態で燃流電池スタックに発電させるので、冷たい冷却媒体が燃料電池スタック内部に流入することを防ぐことができ、発電による自己昇温を促進することができる。また、バイパス流路及びその内部の冷却媒体は、燃料電池スタック自体および燃料電池スタック内部の冷却媒体に比べて、熱容量が小さいため、熱容量の小さい加温装置でも比較的短時間に昇温させることができる。

またエチレングリコール水溶液等の不凍液を冷却媒体に使用した場合、温度が低い状態では粘性が高く、ポンプの負荷を押さえ気味に運転しなければならないが、バイパス流路のみを温めるため、冷却媒体の昇温が早まり、ポンプの負荷を短い時間で最大負荷にまでもってくることができる。また、ポンプの負荷を最大限にすることができるので、ポンプに電力供給する燃料電池スタックからの電力取り出しを促進でき、さらに燃料電池スタックの自己発熱を加速させることができる。これにより、燃料電池スタックの生成水が凍結せずに発電を持続することができるという効果がある。

第二発明によれば、第一発明の効果に加えて、温度センサと電気的に制御される切替弁が温度感知式切替弁に置き換えられるので、制御を簡素化することができ、燃料電池システムのコスト及び質量を低減させることができるという効果がある。

第三発明によれば、第二所定値まで温度上昇した冷却媒体を一気に燃料電池スタックに流入させて発電を開始するため、燃料電池スタックの熱容量の大きさによっては一旦スタックの出口側で冷却媒体温度が下がることがあっても、その後加温装置と燃料電池スタックの発熱によって、燃料電池スタック温度が発電が継続可能な温度以上になる時間までを短くすることができるので、燃料電池スタックを予熱しなくても氷点下からの発電が可能となるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、燃料電池車両用の燃料電池システム等、氷点下の温度となり得る屋外で使用される燃料電池システムに好適な実施例である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池スタック２と、エチレングリコール水溶液等の冷却媒体が循環する主循環流路３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆと、燃料電池スタック２をバイパスするバイパス流路４ａと、ラジエータ１０をバイパスするバイパス流路４ｂと、冷却媒体を循環させるポンプ５と、冷却媒体の温度を検出する温度センサ６と、燃料電池スタック２を通過する流路３ｂと、バイパス流路４ａとを切り替える切替弁である三方弁７と、ラジエータ１０を通過する流路３ｅと、バイパス流路４ｂとを切り替える切替弁である三方弁９と、冷却媒体の熱を系外へ放出するラジエータ１０と、ラジエータ１０に送風するラジエータファン１１と、温度センサ６の検出値に基づいて、ポンプ５，ラジエータファン１１，三方弁７，９を制御する制御装置であるコントローラ１４と、を備えている。

通常運転時に冷却媒体は、ポンプ５，三方弁７、燃料電池スタック２、合流点８，三方弁９，ラジエータ１０，合流点１２を経て、ポンプ５に戻る経路で循環する。これにより、燃料電池スタック２で発生する熱をラジエータ１０から系外へ放出し、燃料電池スタック２の運転に適した温度に冷却媒体の温度が維持される。

氷点下などの低温時に燃料電池システム１を起動させる際、まず、燃料電池スタック２とラジエータ１０とをバイパスするために、三方弁７をバイパス流路４ａ側へ、三方弁９をバイパス流路４ｂ側へ切り替える。

この三方弁の切替により、冷却媒体は、ポンプ５，三方弁７，バイパス流路４ａ，合流点８，三方弁９，バイパス流路４ｂ，合流点１２を経て、ポンプ５に戻る経路で循環可能となる。ここで、図示しない加温装置であるヒータは、主循環流路３ａ、バイパス流路４ａ、主循環流路３ｄ、及びバイパス流路４ｂの何れかの流路を加温可能なように設けられているものとする。

次いで、図示しないヒータで冷却媒体を昇温させながら、ポンプ５で冷却媒体を循環させる。燃料電池スタック２の発電は、起動直後から行い、ポンプ５およびヒータに必要な電源はこの燃料電池スタック２の発電によって得られる電力を使う。

次いで、冷却媒体の温度が、燃料電池スタック２が効率よく発電できる所定温度（例えば、８０［℃］）まで昇温したことを温度センサ６で検知すると、コントローラ１４は、三方弁７をバイパス流路４ａ側から燃料電池スタック２側に切り替え、燃料電池スタック２に所定温度の冷却媒体を一気に流しこむ。

起動直後に燃料電池スタック２の発電が安定しない場合は、ポンプ５の起動電流を取り出せない可能性があるので、安定しない間の時間のみ図示しない二次電源からポンプ５へ電力を供給する。ただし、この場合、発電が安定するまでしか二次電源が必要でないので、容量の小さな電源で済む。なお、この実施例では８０［℃］で三方弁を切替えることとしたが、バイパス流路４ａの温度上昇をさせる前の温度を検知しておき、三方弁７から燃料電池スタック２までの流路３ｂにおける温度低下分を考慮し、８０［℃］にその分を足した値で切替えることも可能である。

また、本実施例では、三方弁７に電子制御式のバルブを用いたが、温度感知式の三方弁を用いて、切替温度をスタックが効率よく発電できる温度でバルブが作動するように調整をしておくことで、冷却媒体が所定温度に上昇すると自動的にバルブの開度が変化し、スタックに流れ込むので、温度センサは不要となる。

さらに、外気温度とヒータの容量との関係から、単位時間当たりの冷却媒体の温度上昇幅を予め把握しておき、外気温度を検出する外気温度センサを設置し、燃料電池スタック２を起動する際に、ヒータによって冷却媒体が外気温度から所定温度にまで昇温するのに要する時間をコントローラ１４で演算し、その時間まで燃料電池スタックとラジエータとをバイパスさせて冷却媒体を循環させ、その時間になったところで三方弁７を燃料電池スタック２側に切り替えて、燃料電池スタック２に加温した冷却媒体を流し込むことも可能である。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。実施例２の構成は、図１に示した実施例１の構成に、燃料電池スタック２の出口付近の冷却媒体の温度を検出する温度センサ（第二温度センサ）１３が追加されていることと、ポンプ５が吐出する冷却媒体を用いてポンプ自体を冷却する構造を有し、ポンプ５を高負荷で駆動させることにより冷却媒体を加温することができるようになっていることである。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

氷点下などの低温時に燃料電池システム１を起動させる際、まず、燃料電池スタック２とラジエータ１０とをバイパスするために、三方弁７をバイパス流路４ａ側へ、三方弁９をバイパス流路４ｂ側へ切り替える。この三方弁の切替により、冷却媒体は、ポンプ５，三方弁７，バイパス流路４ａ，合流点８，三方弁９，バイパス流路４ｂ，合流点１２を経て、ポンプ５に戻る経路で循環可能となる。

次いで、上記経路内の冷却媒体を昇温させるため、ポンプ５を高負荷あるいは最大負荷で運転させるとともに、燃料電池スタック２の発電を開始させる。所定温度に上昇したところで、三方弁７を切り替え、冷却媒体を燃料電池スタック２に流入させる。燃料電池スタック２全体が所定温度にまで上昇したことをスタック出口の温度センサ１３で測定確認した後に、ポンプ５の負荷を下げ、適正な温度範囲にくるように、ポンプ５の回転数、ラジエータファン１１の回転数、三方弁７，９の開度を制御する。

以下に、二次電源でポンプ等を作動させ、冷却媒体が所定温度まで上昇した後に、三方弁を燃料電池スタック側へ切替えた後に、燃料電池スタックの発電を開始させる制御について、説明する。

氷点下などの低温時に燃料電池システムを起動させる際、まず、燃料電池スタック２とラジエータ１０とをバイパスするために、三方弁７をバイパス流路４ａ側へ、三方弁９をバイパス流路４ｂ側へ切り替え、加温装置などの熱源で冷却媒体を昇温させながら、二次電源（外部電源）などでポンプ５を駆動し冷却媒体を循環させる。温度センサ６で冷却媒体の温度をモニタしながら、燃料電池スタック２が効率よく発電できる温度まで昇温したことを確認すると、三方弁７をバイパス流路４ａ側から燃料電池スタック２側に切り替え、燃料電池スタック２に所定温度の冷却媒体を一気に流しこむ。また、この三方弁７の切り替えと同じタイミングで燃料電池スタック２の発電を開始し、ポンプ５、三方弁７の駆動電源を二次電源から燃料電池スタックの発電電力に切り替える。

請求項６の場合、燃料電池スタック２が効率よく発電できる所定温度まで昇温したことを温度センサ６で検出すると、三方弁７をバイパス流路４ａ側から燃料電池スタック２側に切り替え、燃料電池スタック２に所定温度の冷却媒体を一気に流しこむ。次いで温度センサ１３で検出した燃料電池スタック２の出口の冷却媒体温度が所定温度にまで達すると、燃料電池スタック２の発電を開始し、ポンプ５、三方弁７，９の駆動電源を二次電源から燃料電池スタックの発電電力に切り替える。

以下に、従来の燃料電池システムの温度及び時間推移と、本発明の温度及び時間推移を図３から図６を用いて示す。

図３に冷却媒体を加温する加温装置などが無い従来例のシステムでの時間と温度、電力の関係図を示す。加温装置がない場合、発電開始後、冷却媒体の温度が昇温するのに時間がかかるため、発電後しばらくするとスタック内で生成水が凍結し、反応ガスの供給を阻害したり発電効率が減少し、電力が取り出せなくなる。

図４に冷却媒体を加温する加温装置などがある従来例のシステムでの時間と温度、電力の関係図を示す。加温装置が蓄熱装置などの場合、システム起動後、スタック入口温度には、予め昇温された冷却媒体温度となるが、出口温度が０［℃］以上に上昇するまでに時間がかかり、発電を行えないため、発電開始時間までに必要な大きな二次電源または蓄熱装置が必要となる。

図５に請求項１〜４のシステムでの時間と温度、電力の関係図を示す。はじめは、燃料電池スタック２とラジエータ１０とをバイパスした循環路内の冷却媒体を昇温させるのみなので、短い時間、少ない熱容量で燃料電池スタック入口の冷却媒体温度を所定温度まで上げることができる。また、燃料電池スタックの発電によりスタック出口温度は序々に温まり、三方弁７を切り替え、燃料電池スタック２に冷却媒体を流すとスタック内部の温度が上昇し、出口温度も上昇する。燃料電池スタック２の内部の温度が上昇することにより、生成水が凍結せず発電を継続することができる。

図６に請求項５，６の燃料電池システムでの時間と温度、電力の関係図を示す。まず燃料電池スタック２とラジエータ１０とをバイパスした循環路内の冷却媒体を昇温させるのみなので、短い時間、少ない熱容量で燃料電池スタック入口の冷却媒体温度を所定温度まで上げることができる。冷却媒体の温度が所定温度に上がったと同時に三方弁７を燃料電池スタック２側に切り替え、燃料電池スタック２の発電を開始する。このときポンプ５の電源も二次電源から燃料電池スタック２の電力に切り替える。燃料電池スタックの熱容量の大きさによっては、一旦スタックの出口側で冷却媒体温度が下がってしまう場合もあるが、その後ポンプ５からの発熱等の熱源と燃料電池スタック２の発熱によって、０［℃］以上に温度が上昇するまでの経過時間を短くすることができるので、スタック内の生成水が凍結するまでの時間内にスタック出口温度を０［℃］以上に上げることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。 加温装置が無い従来例の燃料電池システムにおける時間と温度、発電電力の関係図である。 加温装置がある従来例の燃料電池システムにおける時間と温度、発電電力の関係図である。 燃料電池の発電電力でポンプを駆動する実施例における時間と温度、発電電力の関係図である。 二次電源でポンプを起動する実施例における時間と温度、発電電力の関係図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ：主循環流路
４ａ，４ｂ：バイパス流路
５：ポンプ
６：温度センサ
７，９：三方弁
８，１２：合流点
１０：ラジエータ
１１：ラジエータファン
１３：温度センサ
１４：コントローラ内外国

Claims (6)

1. 燃料電池スタックを冷却する冷却媒体が循環する主循環流路と、
   前記冷却媒体を循環させるポンプと、
   前記冷却媒体の温度を検出する温度センサと、
   前記燃料電池スタックをバイパスして前記冷却媒体を流すバイパス流路と、
   前記主循環流路の一部である燃料電池スタックを通過する流路と前記バイパス流路とを切り替える切替弁と、
   前記冷却媒体を加温する加温装置と、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記冷却媒体の温度が第一所定値以下の場合に、前記冷却媒体がバイパス流路を流れるように前記切替弁を設定して、燃料電池スタックの発電を開始させるとともに、前記加温装置を作動させて燃料電池をバイパスして循環する前記冷却媒体を加温し、前記冷却媒体の温度が前記第一所定値より大きい第二所定値以上になったら前記燃料電池スタックを通過する流路に前記切替弁を切り替える制御装置と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池スタックを冷却する冷却媒体が循環する主循環流路と、
   前記冷却媒体を循環させるポンプと、
   前記燃料電池スタックをバイパスして前記冷却媒体を流すバイパス流路と、
   前記主循環流路の一部である燃料電池スタックを通過する流路と前記バイパス流路とを切り替える温度感知式切替弁と、
   前記冷却媒体を加温する加温装置と、
   前記燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックの発電を開始させるとともに、前記加温装置を作動させて前記冷却媒体を加温するように制御する制御装置と、
   を備え、
   前記温度感知式切替弁は、
   前記冷却媒体の温度が第一所定値以下の場合に、前記冷却媒体がバイパス流路を流れるように流路を切替えるとともに、
   前記冷却媒体の温度が第一所定値より大きい第二所定値以上になったら前記燃料電池スタックを通過する流路に切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 外気温度を検出する外気温度センサを備え、
   前記制御装置は、前記外気温度センサが検出した外気温度に基づいて、前記燃料電池スタックをバイパスして循環する前記冷却媒体の温度が第二所定値に上昇するまでの時間を算出し、その算出時間後に前記切替弁を燃料電池スタック側に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記加温装置は、前記ポンプであり、
   前記ポンプが吐出する冷却媒体を用いてポンプ自体を冷却する構造を有し、前記ポンプを高負荷で駆動させることにより冷却媒体を加温することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池スタックを冷却する冷却媒体が循環する主循環流路と、
   前記冷却媒体を循環させるポンプと、
   前記冷却媒体の温度を検出する温度センサと、
   前記燃料電池スタックをバイパスして前記冷却媒体を流すバイパス流路と、
   前記主循環流路の一部である燃料電池スタックを通過する流路と前記バイパス流路とを切り替える切替弁と、
   前記冷却媒体を加温する加温装置と、
   前記加温装置へ電力を供給する二次電源と、
   前記温度センサが検出した冷却媒体温度が第一所定値以下と判断した場合、前記切替弁を前記バイパス流路側へ切り替えるとともに、前記二次電源によって前記加温装置を作動させながら前記冷却媒体を循環させ、前記冷却媒体温度が第一所定値より高い第二所定値以上になったら前記切替弁を燃料電池スタック側へ切り替えた後に、前記燃料電池スタックを発電させるように制御する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックの冷却媒体出口温度を測定する第二温度センサを備え、
   前記制御装置は、前記第一温度センサが検出した温度が前記第二所定値より高い第三所定値以上となったら前記切替弁を燃料電池スタック側へ切り替え、さらに前記第二温度センサが検出した温度が前記第二所定値以上となったら燃料電池スタックに発電を開始するように制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。

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