JP2007188826A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温起動時に実施される暖機発電において、過剰な燃料消費や騒音、振動を極力抑えながら、車両の発進が可能になるまでの時間を短縮することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池スタック２が起動するときの最低電圧Ｖｍｉｎに基づいて車両が発進出力を得るために必要な発進可能温度Ｔｘを求め、この発進可能温度Ｔｘから燃料電池スタック２のスタック温度Ｔ０を差し引いた温度差ΔＴｘが大きくなるにしたがって燃料電池スタック２から取り出す負荷電流値Ｌｘを大きくするように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温起動時に暖機発電を実施する燃料電池システムに係り、特に燃費や騒音、振動を抑えて最適な暖機時間で燃料電池を起動する燃料電池システム及びその起動方法に関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。

アノード（陽極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード（陰極）：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋(1/2)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）
このような燃料電池システムの従来例として、例えば特開平８−１０６９１４号公報（特許文献１）が開示されている。

そして、陽極に燃料ガスを供給する方法としては、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンクや液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。

一方、陰極に供給する酸素剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

ところで、上述した式（２）に示すように燃料電池は発電に伴って水を生成するため、燃料電池システムを氷点下から起動する場合には燃料電池スタックを暖機して０℃以上になるまで昇温する必要がある。そして、この昇温している間には生成水が燃料電池スタック内部で凍っているので、ガスの拡散が阻害されてセル電圧が徐々に落ちていく現象が起こる。したがって、このような燃料電池システムを搭載した燃料電池車両を氷点下から起動する場合には、暖機運転が完了してセル電圧が通常通りに戻るまでの間、円滑に走行することができずに運転者に不快感を与えてしまう問題がある。

そこで、従来では低温起動時に暖機運転を実施して円滑に運転が開始できるようにしており、このような暖機運転を実施する燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００４−１７８９９８号公報（特許文献２）が開示されている。

この従来例では、低温下における起動時に燃料電池スタックの温度とセル電圧をモニターし、その値に基づいて燃料電池スタックから取り出し可能な制限電流を求め、この制限電流が所定値を超えたときに車両を発進可能としている。
特開平８−１０６９１４号公報 特開２００４−１７８９９８号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、暖気発電時における燃費や騒音、振動を考慮していないので、暖機時間を短縮しようとして過剰に燃料を消費してしまったり、騒音や振動が増大してしまったりするという問題点があった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池を備え、低温起動時に暖機発電を実施する車両用の燃料電池システムであって、前記燃料電池が起動するときの最低電圧に基づいて、前記暖機発電中に前記燃料電池から取り出される負荷電流値を変化させることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムの起動方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池を備え、低温起動時に暖機発電を実施する車両用の燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池が起動するときの最低電圧に基づいて、前記暖機発電中に前記燃料電池から取り出される負荷電流値を変化させることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池が起動するときの最低電圧に基づいて暖機発電中に燃料電池から取り出される負荷電流値を変化させるので、燃料電池の初期状態がいかなる場合であっても、過剰な燃料消費や騒音、振動を極力抑えながら、車両発進ＯＫとなるまでの時間を短縮することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

＜第１の実施形態＞
先ず、本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図であり、この燃料電池システムは車両に搭載されている。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池システム１を制御する制御部３と、水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、燃料電池スタック２から排出された水素ガスを再循環させる水素循環ポンプ５と、燃料電池スタック２における反応で使用されない不純物を排出するアノードパージ弁６と、外部から吸入した空気を加圧して燃料電池スタック２に供給するコンプレッサ７と、燃料電池スタック２のカソードにおける空気の圧力を調整するカソード圧調整弁８と、燃料電池スタック２を冷却するための冷却水を循環させる冷却水ポンプ９と、冷却水を放熱するラジエータ１０と、燃料電池スタック２のセル電圧を検出するセル電圧測定装置１１と、燃料電池システム１が搭載された車両を駆動するモータ１２と、燃料電池スタック２から電力や電流などの出力を取り出してモータ１２などの外部負荷に供給するパワーマネージャー１３と、燃料電池スタック２で発電された電力を蓄えるバッテリ１４と、燃料電池スタック２の代表温度である冷却水温度を測定する温度センサ１５とを備えている。

ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて電気化学反応によって発電が行われている。

そして、燃料電池スタック２に水素を供給する水素供給系では、水素タンク４から図示しない減圧弁や水素供給弁などを通じて燃料電池スタック２のアノードに水素ガスが供給される。水素タンク４から供給される高圧水素は、減圧弁で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁の開度を調節することによって燃料電池スタック２における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。また、燃料電池スタック２のアノードで消費されなかった水素ガスは水素循環ポンプ５によって燃料電池スタック２のアノードに再循環されている。さらに、水素供給系内に蓄積した窒素を排出するためにアノードパージ弁６が設置され、不純物である窒素を排出するとともに、燃料電池スタック２のセル電圧を回復させるためにガス流路に詰まった水を吹き飛ばす機能も果たしている。

一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、コンプレッサ７によって外部から吸入された空気が加圧され、燃料電池スタック２のカソードに供給されている。カソードにおける空気圧は図示しない空気圧力センサによって検出され、この検出値に基づいて制御部３がコンプレッサ７の回転数及びカソード圧調整弁８の開口面積を調節することによってカソードにおける空気圧が制御されている。

また、燃料電池スタック２を冷却する冷却系では、冷却水ポンプ９によって吐出された冷却水が燃料電池スタック２を循環して冷却し、燃料電池スタック２の熱を吸収して温度上昇した冷却水はラジエータ１０で放熱して冷却され、再び燃料電池スタック２を循環する。

制御部３は、燃料電池システム１を制御するための処理を実行するＣＰＵ３１と、燃料電池システム１を制御するために必要な情報を記録しておくメモリー３２と、制御が開始されてからの時間をカウントするカウンター３３とを備え、図示しない各種センサやセル電圧測定装置１１で検出されたセル電圧に基づいてパワーマネージャー１３を制御して燃料電池スタック２から電力を取り出してモータ１２等の外部負荷に供給している。さらに、制御部３は燃料電池スタック２の起動、発電、停止時にはシステム内の各アクチュエータをセンサ信号によってコントロールしている。

パワーマネージャー１３は、制御部３の制御によって燃料電池スタック２やバッテリ１４から電力を取り出してモータ１２やコンプレッサ７、水素循環ポンプ５、冷却水ポンプ９などの各補機類に供給している。

温度センサ１５は、燃料電池スタック２の冷却水出口に設置され、燃料電池スタック２の代表温度である冷却水温度を測定している。ただし、燃料電池スタック２の代表温度を測定できれば、冷却水出口でなくても燃料電池スタック２内に直接設置するようにしてもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム１による暖機発電の制御処理を図２のフローチャートに基づいて説明する。図２に示すように、まず燃料電池システム１の起動信号が入力されると、バッテリ１４からパワーマネージャー１３を介してコンプレッサ７などの補機類へ電力が供給される（Ｓ２０１）。このとき同時に燃料電池スタック２の代表温度もしくは外気温などから今回の起動が氷点下からの起動か、あるいは常温での起動かを判断し（Ｓ２０２）、常温での起動と判断された場合には常温運転を開始する。

一方、氷点下に準ずる温度であると判断された場合には暖機発電の制御フローに入り、燃料電池スタック２の発電を開始して燃料電池スタック２から電力を取り出す（Ｓ２０３）。ここで取り出された電力はコンプレッサ７や水素循環ポンプ５、図示していない車室内ヒーターや冷却水ヒーターなどで消費されるとともに、バッテリ１４に充電される。また、このとき燃料電池システム１が搭載された車両の発進を暖機発電が完了するまでの間禁止する。ここで、「氷点下に準ずる温度」とは、燃料電池スタック２からの生成水が外部に排出されていない状態で凍結するおそれのある温度であり、具体的には、温度センサ１５が測定する冷却水の燃料電池スタック２の出口温度などから判断することができる。なお、氷点下に準ずる温度は、スタックの大きさにより変化するため、燃料電池スタック２に応じて設定される。

そして、燃料電池スタック２から電力の取り出しが開始された後、制御部３はカウンター３３で計測された時間ｔ毎のセル電圧Ｖ（ｔ）をメモリー３２に記録し（Ｓ２０４）、
Ｖ（ｔ）−Ｖ（ｔ−１）＞０
によってセル電圧が下降しているのか、あるいは上昇しているのかを判断する（Ｓ２０５）。ただし、セル電圧Ｖ（ｔ）の微分値ｄＶ／ｄｔがマイナスからプラスへ変化することによってセル電圧が上昇していると判断するようにしてもよい。ここでＶ（ｔ）は発電を開始してから時間ｔ経過後の電圧である。

そして、Ｖ（ｔ）−Ｖ（ｔ−１）が０より大きくなってセル電圧が上昇していると判断されると、セル電圧Ｖ（ｔ）が上昇を開始したときのＶ（ｔ−１）の値を、燃料電池システム１の暖機中におけるセル電圧の最低電圧Ｖｍｉｎとする（Ｓ２０６）。

ここで、予め設定されている図３のマップに基づいて暖機発電時におけるセル電圧の最低電圧Ｖｍｉｎから車両の発進出力を得るために必要となる発進可能温度Ｔｘを求める（Ｓ２０７）。ただし、車両の発進出力とは、車両の重量やコンプレッサなどの消費電力、二次電池のアシスト可能電力、想定する路面の状況などによって決定される値である。

そして、温度センサ１５で検出された現在の燃料電池スタック２の代表温度（Ｖｍｉｎを求めたときの燃料電池スタック２の代表温度）Ｔ０と発進可能温度Ｔｘとの温度差ΔＴｘ（ΔＴｘ＝Ｔｘ−Ｔ０）を求める（Ｓ２０８）。

次に、図４に示すマップに基づいて温度差ΔＴｘから負荷電流値Ｌｘを求め、燃料電池スタック２から取り出す負荷電流値をＬｘに変更し（Ｓ２０９）燃料電池スタック２の温度を上昇させる。

ここで、図４のマップにおいて、負荷電流値Ｌｘは温度差ΔＴｘが増大するに従って直線的に増大するが、温度差ΔＴｘが所定値Ａ以上になると、負荷電流値Ｌｘの値は最大負荷電流値Ｌｍａｘとなる。この最大負荷電流値Ｌｍａｘの値は、コンプレッサ７や水素循環ポンプ５、図示していない車室内ヒーターや冷却水ヒーターなどで消費される最大限の負荷電流値に設定することが好ましく、それによって車両発進ＯＫとなるまでの時間を最短にすることができる。しかしながら、コンプレッサ７の消費電力を最大限にするためにコンプレッサ７の回転数を最大にすると、騒音や振動などの問題が生じるため、この最大負荷電流値Ｌｍａｘは車両の商品性から決定される起動時間（例えば、３０ｓｅｃ以内）や燃費、音振要求値を満たす電流値の中で最大の電流値に設定する必要がある。

そして、燃料電池スタック２の代表温度Ｔが車両の発進出力を得るために必要な発進可能温度Ｔｘになるまで負荷電流値Ｌｘを燃料電池スタック２から取り出し続け、燃料電池スタック２の代表温度Ｔが発進可能温度Ｔｘに達したら（Ｓ２１０）車両発進ＯＫの表示を出力し、車両の発進が可能となる制御を実施して（Ｓ２１１）本実施形態の燃料電池システム１による暖機発電の制御処理を終了する。

ここで、上述した暖機発電の制御処理が実施された場合の燃料電池スタック２の温度及び負荷電流値の時間変化を説明する。まず、暖機発電中のセル電圧の最低電圧Ｖｍｉｎが低い場合には、図５に示すように車両の発進出力を得るために必要となる燃料電池スタック２の発進可能温度は高くなることが分かる。

したがって、暖機発電中のセル電圧の最低電圧Ｖｍｉｎが低い場合（セル電圧が通常よりも大きく低下した場合）には、燃料電池スタック２から取り出す負荷電流値を大きくすることによって燃料電池スタック２の昇温速度を早めることができ、車両発進ＯＫとなるまでの時間を短縮することができる。

例えば、図６に示すように暖機発電開始後にセル電圧が大きく低下してＶ１まで低下した場合には、最低電圧Ｖ１の検出後（時刻ｔ１）に負荷電流値は暖機発電開始時のＩ０からＩ１まで上昇する。これにより、時刻ｔ１以後燃料電池スタック２の温度は急激に上昇し、時刻ｔ２に発進可能温度Ｔ１に到達して暖機発電を終了して負荷電流値は車両発進時の負荷電流値Ｉ３に上昇する。

一方、図７に示すように暖機発電中のセル電圧の最低電圧があまり低下せずにＶ２までしか低下しなかった場合には、図５から求められる発進可能温度Ｔ２は低くなり、燃料電池スタック２から取り出される負荷電流値はＩ０のまま上昇せず、燃料の消費と騒音及び振動を最低限に抑えながら、時刻ｔ２に発進可能温度Ｔ２に到達して車両を発進させることができる。

このような暖機発電時における制御を実施することにより、燃料電池スタック２の初期状態が氷点下起動にとって悪い状態、例えばスタック温度が低い場合や燃料電池スタック２に含まれる水分量が多い場合であっても、氷点下の温度から起動してスタック温度が０℃以上になるまで暖機発電中のスタック電圧をモニターし、燃費や音振要求値を満足しながら可能な限り短い時間で燃料電池システム１を起動させて車両を発進させることができる。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池が起動するときの最低電圧に基づいて暖機発電中に燃料電池から取り出される負荷電流値を変化させるので、燃料電池の初期状態がいかなる場合であっても、過剰な燃料消費や騒音、振動を極力抑えながら、車両発進ＯＫとなるまでの時間を短縮することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池システム１を搭載した車両の発進出力を得るために必要な発進可能温度を最低電圧に基づいて求め、この発進可能温度から燃料電池スタック２の温度を差し引いた温度差が大きくなるにしたがって負荷電流値を大きくするので、温度差に応じて適切な負荷電流値を決定することができ、過剰な燃料消費や騒音、振動を確実に抑えながら、車両発進ＯＫとなるまでの時間を短縮することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１では、発進可能温度から燃料電池スタック２の温度を差し引いた温度差が所定値以上となった場合には、予め設定された最大負荷電流値を燃料電池から取り出すので、車両発進ＯＫとなるまでの時間を最短にすることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１では、最大負荷電流値を車両の商品性から決定される起動時間、車両の燃費、音振要求値に基づいて設定するので、過剰な燃料消費や騒音、振動を極力抑えながら、車両発進ＯＫとなるまでの時間を最短にすることができる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図８に基づいて説明する。図８は、本実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム８１は、車両の運転者が起動モードを選択する起動モード選択スイッチ８２をさらに備えたことが第１の実施形態と異なっており、その他の構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。

次に、本実施形態の燃料電池システム８１による暖機発電の制御処理を図９に基づいて説明する。図９に示すように、ステップＳ３０１〜Ｓ３０７の処理は第１の実施形態のステップＳ２０１〜Ｓ２０７の処理と同一なので、詳しい説明は省略する。

図９のステップＳ３０１〜Ｓ３０７の処理を実施し、ステップＳ３０７において発進可能温度Ｔｘを求めると、次に車両の運転者によって起動モードが選択される（Ｓ３０８）。

ここで、起動時間優先モードが選択された場合には、燃料電池スタック２から最大負荷電流値Ｌｍａｘ’の負荷電流を取り出す。この最大負荷電流値Ｌｍａｘ’は、車両の商品性としての燃費や騒音、振動などを考慮せず、可能な限り大きな電力を消費する負荷電流値である。したがって、最大負荷電流値Ｌｍａｘ’は、車両を発進させずに燃料電池スタック２から取り出せる負荷電流の最大値となるので、燃料電池スタック２の昇温速度を最大にすることができ、最も早く燃料電池システム８１を起動させることができる。

そして、燃料電池スタック２の温度Ｔが発進可能温度Ｔｘに達するまで、燃料電池スタック２から最大負荷電流値Ｌｍａｘ’の負荷電流を取り出し続け、温度Ｔが発進可能温度Ｔｘに達したところで（Ｓ３１０）車両発進ＯＫの表示を出力し、車両の発進が可能となる制御を実施して（Ｓ３１１）本実施形態の燃料電池システム１による暖機発電の制御処理を終了する。

一方、車両の運転者が燃費優先モードを選択した場合には、燃料電池スタック２から最小負荷電流値Ｌｍｉｎの負荷電流を取り出す（Ｓ３１２）。この最小負荷電流値Ｌｍｉｎは、燃料電池スタック２の温度を上昇させることができる最低限の負荷電流値であり、放熱とのバランスから決定されるものである。この場合には、この後どれくらいの時間で車両が発進ＯＫとなるかを運転者に知らせる必要があるので、暖機発電が完了して車両の発進が許可されるまでの時間を表示して運転者に知らせる。このとき、運転者はこのまま燃費優先モードを継続するか、あるいは通常の起動に変更して早く起動させるかを選択できるような機能を追加してもよい。

そして、燃料電池スタック２の温度Ｔが発進可能温度Ｔｘに達するまで、燃料電池スタック２から最小負荷電流値Ｌｍｉｎの負荷電流を取り出し続け、温度Ｔが発進可能温度Ｔｘに達したところで（Ｓ３１３）車両発進ＯＫの表示を出力し、車両の発進が可能となる制御を実施して（Ｓ３１１）本実施形態の燃料電池システム１による暖機発電の制御処理を終了する。

このように、本実施形態の燃料電池システム８１では、車両の運転者によって選択可能な起動時間優先モードと燃費優先モードとを備え、起動時間優先モードが選択されたときには負荷電流値を燃料電池システム８１で消費できる最大電流値に設定し、燃費優先モードが選択されたときには負荷電流値を必要最低限の電流値に設定するので、車両の運転者の好みに応じた起動方法を実現することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム８１では、暖機発電が完了して車両の発進が許可されるまでの時間を表示するので、運転者は車両が発進できるまでの時間を知ることができ、暖機発電が完了するまで安心して待つことができる。

上記のように、本発明は、２つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる暖機発電の制御処理を示すフローチャートである。 暖機発電時におけるセル電圧の最低電圧と発進可能温度との関係を示す図である。 発進可能温度とスタック温度との温度差と負荷電流値との関係を示す図である。 暖機発電時におけるセル電圧の最低電圧と発進可能温度との関係を示す図である。 セル電圧の最低電圧が低い場合における負荷電流とスタック温度の時間変化を説明するための図である。 セル電圧の最低電圧が高い場合における負荷電流とスタック温度の時間変化を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによる暖機発電の制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１、８１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 制御部
４ 水素タンク
５ 水素循環ポンプ
６ アノードパージ弁
７ コンプレッサ
８ カソード圧調整弁
９ 冷却水ポンプ
１０ ラジエータ
１１ セル電圧測定装置
１２ モータ
１３ パワーマネージャー
１４ バッテリ
１５ 温度センサ
３１ ＣＰＵ
３２ メモリー
３３ カウンター
８２ 起動モード選択スイッチ

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池を備え、低温起動時に暖機発電を実施する車両用の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池が起動するときの最低電圧に基づいて、前記暖機発電中に前記燃料電池から取り出される負荷電流値を変化させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 当該燃料電池システムを搭載した車両が発進出力を得るために必要な前記燃料電池の発進可能温度を前記最低電圧に基づいて求め、この発進可能温度から前記燃料電池のスタック温度を差し引いた温度差が大きくなるにしたがって前記負荷電流値を大きく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。
3. 前記発進可能温度から前記燃料電池のスタック温度を差し引いた温度差が所定値以上になった場合には、予め設定された最大負荷電流値を前記燃料電池から取り出すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記最大負荷電流値は、前記車両の商品性から決定される起動時間、前記車両の燃費、音振要求値に基づいて設定されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記車両の運転者によって選択可能な起動時間優先モードと燃費優先モードとを備え、前記起動時間優先モードが選択されたときには前記負荷電流値を当該燃料電池システムで消費できる最大電流値に設定し、前記燃費優先モードが選択されたときには前記負荷電流値を必要最低限の電流値に設定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記暖機発電が完了して前記車両の発進が許可されるまでの時間を表示することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池を備え、低温起動時に暖機発電を実施する車両用の燃料電池システムの起動方法であって、
   前記燃料電池が起動するときの最低電圧に基づいて、前記暖機発電中に前記燃料電池から取り出される負荷電流値を変化させることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。

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