JP2006209994A

JP2006209994A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2006209994A
Application number: JP2005016776A
Authority: JP
Inventors: Yohei Kaneko; 庸平金子
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】氷点下で燃料電池システムを放置した場合の凍結までの時間を延長する。
【解決手段】コントローラ２１は、外気温度センサ１１ｆの検出値に基づいて、燃料電池システムの凍結の可能性を判断し、凍結の可能性がある場合、燃料電池運転中に電気ヒータ２０に通電して、水素循環経路１９、圧力センサ６ａ、温度センサ１１ｃ，１１ｅの保温を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に低温時の起動性を改善した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。

固体高分子電解質には、加湿状態でないと十分な水素イオン導電性を発揮しないものが多く、固体高分子型燃料電池に供給される燃料ガスまたは空気は、加湿されている。また、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応により水が生成されるので、燃料電池内部は、湿潤状態にある。燃料電池を運転停止して氷点下の環境に放置すると、燃料電池システム内部のバルブや圧力センサ等は凍結することが考えられる。

このような燃料電池の凍結を防止するために、燃料電池に循環する熱媒体を加熱する電気ヒータを備え、燃料電池車両の停車中は、外部電源から電気ヒータに通電して燃料電池を保温するシステムが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００４−１４１８５号公報（第５頁、図１）

しかしながら上記従来技術においては、外部電源から電気ヒータに電力を供給するために、燃料電池車両の駐車場所が外部電源利用な場所に限られるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、該燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、該燃料電池の発電電力を用いてシステム構成部品を加熱する電気ヒータと、を備えた燃料電池システムにおいて、システム起動後の通常運転中に、前記電気ヒータに通電して前記システム構成部品を加熱することを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池の通常運転中に、燃料電池の発電電力を用いる電気ヒータによりシステム構成部品を加熱することができるので、燃料電池システムが高い熱保有量で運転停止することができ、燃料電池システムが氷点下環境に放置された場合でも、システムの凍結までの時間を延長することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施例を説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施例の構成を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池１は、固体高分子型の電解質膜１ｂの両面にアノード（燃料極）１ａとカソード（酸化剤極）１ｃを形成した燃料電池である。アノード１ａには燃料ガスとしての水素ガス、カソード１ｃには酸化剤ガスとしての空気がそれぞれ供給される。そして、以下に示す各電極反応が進行され、直流電力が発電される。

アノード：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
カソード：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
アノード１ａへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁１６、水素供給弁４を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁１６で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４で所望の水素圧力まで減圧されてアノード１ａの入口へ供給される。アノード出口からはアノードで消費されなかった水素が水蒸気と共に排出される。

水素循環ポンプ５及び水素循環経路１９は、アノード出口から排出された水素をアノード入口へ再循環させるためにそれぞれ設置される。アノード１ａの水素圧力は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をコントローラ２１へフィードバックして水素供給弁４を駆動することによって制御される。水素圧力を一定に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。アノード側温度は１１ｃ、１１ｅで検出する。

パージ弁７は、アノード１ａ及び水素循環経路１９を含む水素系内に蓄積した窒素や凝縮水などを系外へ排出して、燃料電池電圧を回復させるために開弁される。また、パージ弁７は、燃料電池の劣化を防止するために、起動時および停止時にカソード１ｃの酸素を発電により消費させつつ水素系内のガスを水素置換させる場合に開弁される。

カソード１ｃへの空気はコンプレッサ８により供給される。カソード１ｃの空気圧力は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をコントローラ２１へフィードバックして空気調圧弁９を駆動することによって制御される。カソード側温度は温度センサ１１ｄで検出する。

空気圧力、水素圧力は発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、電解質膜１ｂやセパレータ１ｄに歪みを生じないように所定の差圧に管理される。

冷却水流路１ｅへの冷却水は冷却水ポンプ１０により供給される。冷却水用三方弁１２は、冷却水の流路をラジエタ１３方向とラジエタバイパス方向に切り替えや分流する。ラジエタバイパス方向には経路内に冷却水ヒータ１５を備える。ラジエタファン１４は、ラジエタ１３へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、温度センサ１１ａ，１１ｂで検出した冷却水温度をコントローラ２１へフィードバックして冷却水用三方弁１２とラジエタファン１４を駆動することによって調整される。

パワーマネージャー１７は、燃料電池１から電力を取り出して車両を駆動するモータ（図示しない）へ電力を供給する。またパワーマネージャー１７は、燃料電池システムの起動、停止時に、電圧センサ１８で検出された燃料電池電圧および経過時間に応じて、燃料電池から電力を取り出してカソードの酸素を消費させる。

水素循環経路１９、温度センサ１１ｅ、パージ弁７は、電気ヒータ２０により加熱できるようになっている。これにより、燃料電池システムが氷点下で運転を停止しても、水素循環経路１９、温度センサ１１ｅ、及びパージ弁７が凍結するまでの時間を延長することができる。また、次回起動時に、低温の水素ガスを水素循環経路１９で暖めて燃料電池１のアノード１ａへ供給することができ、早期に暖機を完了することができる。

電気ヒータ２０の電源としては、燃料電池１の起動完了前には、図示しない二次電池が用いられ、燃料電池１の起動完了後は、燃料電池１の発電電力が用いられる。電気ヒータ２０は、例えば半導体スイッチ等を用いた通電制御デバイスを介して電力供給され、通電制御デバイスのオン／オフ制御は、コントローラ２１により行われる。

コントローラ２１は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。コントローラ２１には、入力装置として、圧力センサ６ａ、６ｂ、大気圧センサ６ｄ、温度センサ１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、外気温度センサ１１ｆ、電圧センサ１８が接続されている。またコントローラ２１には、出力装置として、水素供給弁４，水素循環ポンプ５，パージ弁７、コンプレッサ８，空気調圧弁９，冷却水ポンプ１０、冷却水用三方弁１２，ラジエタファン１４、冷却水ヒータ１５が接続されている。

コントローラ２１は、これら入力装置から入力した燃料電池状態を検出する信号に基づいて、これら出力装置を制御して、燃料電池システム全体の運転制御を行うと共に、電気ヒータ２０の通電を制御して、燃料電池システムの保温制御を行う。

図２は、コントローラ２１の制御下の電気ヒータ２０による燃料電池システム保温制御を説明するフローチャートである。

図２のステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、まず燃料電池システムが起動される。この燃料電池システムの起動は、従来の燃料電池システムと特に変わりがないが、例えば、温度センサ１１ａ，１１ｂにより冷却水温度が所定温度以下と判断されたときに、冷却水ヒータ１５により加熱された冷却水を燃料電池１へ循環させて燃料電池１を暖機し、暖機終了後、水素及び空気を燃料電池１に供給して燃料電池１を起動させる。次いでＳ１２で、燃料電池システムを停止するか否かが判定され、停止しないときには、Ｓ１４へ進み、外気温度センサ１１ｆにより外気温度Ｔｅを検出してコントローラ２１へ読み込み、Ｓ１６へ進む。

一方、Ｓ１２で燃料電池システム停止と判断されれば、Ｓ２６へ進み、電気ヒータ２０の通電を停止して、Ｓ２８で燃料電池システムを停止して運転を終了する。

Ｓ１６では、外気温度Ｔｅが第１所定値Ｔi1以下か否かを判定する。第１所定値Ｔi1は、燃料電池システム内に凍結の虞がない温度、例えば、５［℃］に設定される。

Ｓ１６の判定で、外気温度Ｔｅが第１所定値Ｔiを超えていれば、水素循環経路１９の保温は必要ないとしてＳ２４へ進む。このように、外気温度センサの検出値を用いて電気ヒータの通電を制御しているので、外気温度が氷点下になる可能性が低い場合には、電気ヒータ２０の通電による水素循環経路の加熱を抑制し、燃料電池システムとしてのエネルギー効率を向上させることができる。

Ｓ１６の判定で、外気温度Ｔｅが第１所定値Ｔi1以下であれば、Ｓ１８へ進み、温度センサ１１ｅで水素循環経路１９の温度Ｔｍを検出し、コントローラ２１へ読み込む。次いで、Ｓ２０で循環経路温度Ｔｍが第２所定値Ｔi2以下か否かを判定する。第２所定値Ｔi2は、電気ヒータ２０で水素循環経路１９を保温する際の目標温度であり、燃料電池１の温度より高い温度、例えば、１１０［℃］に設定することが好ましい。

これにより、氷点下環境に燃料電池システムを放置した場合、燃料電池本体の温度が氷点まで低下する経過時間と同程度の経過時間でシステム構成部品の温度を氷点まで低下させることが可能である。

Ｓ２０の判定で、循環経路温度Ｔｍが第２所定値Ｔi2以下であれば、Ｓ２２へ進み、電気ヒータ２０に通電して、水素循環経路１９の保温を行い、Ｓ１２へ戻る。Ｓ２０の判定で、循環経路温度Ｔｍが第２所定値Ｔi2を超えていれば、Ｓ２４へ進み、電気ヒータ２０の通電を停止して、Ｓ１２へ戻る。

このように水素循環経路１９内に設置され温度センサ１１ｅの指示値を参照して温度調節するので、水素循環経路の過加熱を抑制しながら、熱保有量を高い状態に維持することができる。

尚、上記の実施例では、水素循環経路を有する燃料電池システムに本発明を適用した例について説明したが、酸化剤ガスとして空気より酸素濃度が高い酸化剤ガスを用いて、酸化剤ガスの循環経路を有する燃料電池システムにも本発明を適用可能であることは明らかである。

本発明に係る燃料電池システムの実施例の構成を説明するシステム構成図である。実施例のコントローラによる燃料電池システム保温動作を説明する制御フローチャートである。

符号の説明

１：燃料電池
２：水素タンク
３：水素タンク元弁
４：水素供給弁
５：水素循環ポンプ
６：圧力センサ
７：パージ弁
８：コンプレッサ
９：空気調圧弁
１０：冷却水ポンプ
１１：温度センサ
１２：冷却水用三方弁
１３：ラジエタ
１４：ラジエタファン
１５：冷却水ヒータ
１６：減圧弁
１７：パワーマネージャー
１８：電圧センサ
１９：水素循環経路
２０：電気ヒータ
２１：コントローラ

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池と、
該燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
該燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
該燃料電池の発電電力を用いてシステム構成部品を加熱する電気ヒータと、を備えた燃料電池システムにおいて、
システム起動後の通常運転中に、前記電気ヒータに通電して前記システム構成部品を加熱することを特徴とする燃料電池システム。
外気温度を検出する外気温度センサを備え、
該外気温度センサが検出した外気温度が第１所定値以下の場合に、前記電気ヒータに通電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。
前記システム構成部品は、前記燃料電池の下流から前記燃料電池の上流へ未使用ガスを循環させる循環経路であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記循環経路にバルブまたは圧力センサを設置したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記循環経路に未使用燃料ガスを循環させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
前記循環経路に未使用酸化剤ガスを循環させることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記循環経路内に温度センサを備え、該温度センサの検出温度が第２所定値となるように前記電気ヒータの通電を制御することを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記第２所定値は、前記燃料電池の温度より高くなるように設定したことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。