JP2009054432A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の暖機完了の判断時期を適切に設定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】氷点下起動を行なう場合には、暖機完了判断閾値設定部５１ｃによって起動時の燃料電池の温度（システム温度）に基づいて暖機完了判断閾値が設定される。暖機完了判断閾値は、起動時の燃料電池の温度が低くなるにつれて、暖機完了の判断が遅れるように暖機完了判断閾値を設定する。そして、暖機促進制御部５１ａによって氷点下起動制御が実施され、発電が開始される。その後、暖機完了判断部５１ｂによって暖機完了判断閾値以上であると判断されたら暖機完了と判断され、氷点下起動制御を解除し、通常発電に移行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の暖機手段を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、低温時の起動手段として種々のものが提案されている。例えば、燃料電池を低温（特に、氷点下）から起動させる際に、燃料電池の暖機を促進させるために、燃料電池を循環させる冷却水の供給量や供給圧力を調整したり、または外部加熱手段の加熱などによって燃料電池の温度が所定以上になって暖機が完了するまで暖機促進制御を行なっていた（特許文献１参照）。
特開２００３−１５１５９７号公報（段落００３３〜００３９、図２）

しかしながら、従来のような燃料電池システムでは、起動時のシステム温度が所定温度以下（氷点下）であれば一律同じ判定閾値（燃料電池の温度など）を用いて燃料電池の暖機完了判断を行なっていた。このため、起動時のシステム温度によっては、暖機完了判断が早過ぎて発電安定性が悪化したり、逆に暖機完了判断が遅過ぎてエネルギを無駄に消費するおそれがあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の暖機完了の判断時期を適切に設定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。

請求項１に係る発明は、反応ガスが供給されて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の暖機を促進するように制御する暖機促進制御部と、前記燃料電池の暖機の完了判断を行なう暖機完了判断部と、を有し、前記暖機完了判断部により暖機が完了したと判断されるまで、前記暖機促進制御部によって暖機促進制御を行なう燃料電池システムにおいて、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の起動時の温度に基づいて、起動時の前記燃料電池の温度が低いほど暖機完了の判断が遅れるように暖機完了判断閾値を設定する暖機完了判断閾値設定部をさらに有することを特徴とする。

これによれば、起動時の燃料電池の温度に基づいて暖機を終了させる閾値を変更するため、暖機時間を適切な時間に設定することができ、暖機促進のためのエネルギの無駄遣いや、暖機が完了していないにも拘らず（まだ暖機が必要であるにも拘らず）暖機を早期に終了させてしまうといった不具合を防止することが可能になる。なお、燃料電池の温度とは、燃料電池自体の温度だけではなく、燃料電池周辺の代替可能な温度を含む趣旨である。また、暖機が完了とは、これ以上の暖機が不要といった意味を含むものである。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池の起動からの積算発電量を算出する積算発電量算出部を有し、前記暖機完了判断閾値設定部により設定される暖機完了判断閾値は前記積算発電量により設定され、前記積算発電量算出部により算出された積算発電量が前記暖機完了判断閾値設定部により設定された所定積算発電量になったときに前記暖機完了判断部により暖機が完了したと判断されることを特徴とする。

これによれば、燃料電池において発電量と燃料電池発熱量とは相関関係にあり、燃料電池内部の解氷に必要な発熱量を積算発電量で近似することが可能である。つまり、閾値を積算発電量に基づいて設定することにより、燃料電池内部の解氷判断を正確に行なうことが可能となるため、燃料電池の暖機完了判断を精度よく行なうことが可能となる。

請求項３に係る発明は、前記暖機完了判断閾値設定部により設定される暖機完了判断閾値は前記燃料電池の温度により設定され、前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記暖機完了判断閾値設定部により設定された所定温度になったときに前記暖機完了判断部により暖機が完了したと判断されることを特徴とする。

これによれば、燃料電池の温度が上がれば発電安定性も向上する。つまり、発電安定性は燃料電池の温度に基づいて把握することが可能であるため、暖機完了判断閾値として燃料電池の温度を使用し、さらにその暖機完了判断閾値を起動時の燃料電池の温度により決定することで、燃料電池が安定状態にあるか否かを正確に判定することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の暖機完了の判断時期を適切に設定することができる燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は起動制御を示すフローチャート、図３は暖機完了判断閾値のパラメータとして積算電流値を用いた場合のマップである。なお、本実施形態の燃料電池システム１は、車両、船舶、航空機用の電源システムに適用してもよく、また家庭用などの定置式の電源システムに適用してもよい。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷却系４０、制御系５０などで構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子電解質膜を触媒を含むアノードとカソードとで挟んでなる膜電極接合体を、一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セルを複数積層した構造からなる。なお、セパレータには、水素（反応ガス、燃料ガス）が流通する溝（流路）、空気（反応ガス、酸化剤ガス）が流通する溝（流路）、冷媒が流通する溝（流路）などが形成されている。アノードに水素が供給され、カソードに空気が供給されることにより、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行なわれる。

前記アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して水素を給排する系であり、水素タンク２１、水素遮断弁２２などを備えて構成されている。水素タンク２１は、高純度の水素を非常に高い圧力で充填可能なものである。水素遮断弁２２は、後記する制御装置５１によって開閉される電磁式のものであり、水素タンク２１の出口近傍に設けられている。

また、水素遮断弁２２は、水素タンク２１と配管２３ａを介して接続されるとともに、燃料電池１０のアノードの入口と配管２３ｂを介して接続されている。また、燃料電池１０のアノードの出口は、配管２３ｃの一端と接続されている。なお、図示していないが、アノード系２０には、燃料電池１０のアノードから排出された未反応の水素を再び燃料電池１０のアノードの入口に戻して再循環させる循環流路、遮断時に水素を循環させて開弁時に水素を系外に排出させるパージ弁などが設けられている。

前記カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに対して空気を給排する系であり、エアコンプレッサ３１、背圧弁３２などを備えて構成されている。エアコンプレッサ３１は、モータによって駆動されるスーパーチャージャなどで構成される。背圧弁３２は、開度を調整することができるバタフライ弁などで構成され、燃料電池１０のカソードの圧力を調節できるようになっている。

また、エアコンプレッサ３１は、燃料電池１０のカソードの入口と配管３３ａを介して接続されている。燃料電池１０のカソードの出口は、配管３３ｂの一端と接続されている。

前記冷却系４０は、ラジエータ４１、ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４２、配管４３ａ，４３ｂ，４３ｃなどで構成されている。ラジエータ４１は、燃料電池１０によって温められた冷媒に対して放熱する機能を有する。ウォータポンプ４２は、冷媒を循環させる機能を有し、冷媒の流量が増減するように、制御装置５１によってモータの回転速度が制御される。また、ラジエータ４１の冷媒出口は、配管４３ａを介して燃料電池１０の冷媒入口と接続され、燃料電池１０の冷媒出口は、配管４３ｂを介してウォータポンプ４２と接続されている。また、ラジエータ４１の冷媒入口は、配管４３ｃを介してウォータポンプ４２と接続されている。

前記制御系５０は、制御装置５１、温度センサ５２、電流センサ５３、電圧センサ５４などで構成されている。制御装置５１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。温度センサ５２は、燃料電池１０の温度を検出する機能を有する。電流センサ５３は、燃料電池１０から取り出される電流値を検出する機能を有する。電圧センサ５４は、燃料電池１０の全体にかかる電圧値を検出する機能を有する。

また、制御装置５１は、暖機促進制御部５１ａ、暖機完了判断部５１ｂ、暖機完了判断閾値設定部５１ｃ、積算発電量算出部５１ｄを備えている。

前記暖機促進制御部５１ａは、低温（例えば、氷点下）起動時に、前記ウォータポンプ４２の回転速度を落として冷媒の流量を減少させること、エアコンプレッサ３１の回転速度を上げてカソード系３０の流量を増量させること、背圧弁３２の開度を絞ってカソード系３０の圧力を増圧すること、またはこれらの組み合わせなどにより暖機促進制御を行なう。

前記暖機完了判断部５１ｂは、燃料電池１０の暖機が完了したかどうかを判断する制御を行なう。暖機完了の判断は、後記する暖機完了判断閾値設定部５１ｃによって設定された暖機完了判断閾値に到達したかどうかによって判断される。

前記暖機完了判断閾値設定部５１ｃは、燃料電池１０の起動時の温度に基づいて暖機完了の判断を行なう暖機完了判断閾値を設定する。つまり、起動時の燃料電池１０の温度が低いほど暖機完了判断閾値を高く設定する。なお、燃料電池１０の温度は、燃料電池１０内部を直接に測定した温度に限定されず、例えば、燃料電池１０のアノードの出口温度、燃料電池１０のカソードの出口温度、燃料電池１０の冷媒の出口温度から推定した温度であってもよい。以下の説明において、これらの温度をまとめてシステム温度と表記する。

前記積算発電量算出部５１ｄは、電流センサ５３から得られる検出値を用いて、燃料電池１０の起動時における発電開始時からの電流の積算値（積算電流値）を算出する。なお、積算発電量算出部５１ｄは、積算電流値によって算出されるものに限定されず、電流センサ５３および電圧センサ５４からの各検出値を用いて、燃料電池１０の起動時における発電開始時からの電力（電流×電圧）の積算値（積算電力値）によって算出してもよく、あるいは発電開始時からの発電時間によって算出してもよい。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の起動制御について図２および図３を参照して説明する。なお、燃料電池システム１の運転停止時には、水素遮断弁２２が閉じられ、エアコンプレッサ３１およびウォータポンプ４２が停止している。

図２に示すように、例えば運転者によってイグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）がオン（ＯＮ）にされると、ステップＳ１００において、制御装置５１は、氷点下起動を行なうどうかを判断する。なお、氷点下起動を行なうかどうかは、システム温度や外気温度（センサは図示せず）などによって判断され、システム温度や外気温度が例えば氷点下の場合に氷点下起動を行なうと判断する。また、氷点下起動を行なうかどうかは、起動時の温度のみで判断することに限定されず、燃料電池システム１の運転停止中の温度を参照して判断してもよい。つまり、起動時の温度が氷点下ではなくても運転停止時の温度が氷点下である場合には燃料電池１０内部が氷結しているおそれがあるので、そのような場合には氷点下起動を行なうことが好ましい。

ステップＳ１００において、制御装置５１は、氷点下起動を行なうと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１０において、燃料電池１０における暖機完了判断閾値を設定する。なお、暖機完了判断閾値は、起動時（ＩＧ ＳＷのＯＮ時）のシステム温度に基づいて設定され、起動時のシステム温度が低くなるにつれて、暖機完了判断閾値が高く（暖機完了の判断が遅れるように）設定される。また、このステップＳ１１０が、本実施形態における暖機完了判断閾値設定部５１ｃが実施する処理に相当する。

また、暖機完了判断閾値は、図３のマップに基づいて設定される。積算電流量（積算発電量）は、燃料電池１０の発熱量と相関関係にあるので、燃料電池１０の内部の解氷に必要な発熱量を積算電流量で近似することが可能である。よって、図３に示すように、起動時のシステム温度が高い場合には、暖機完了判断積算電流値における暖機完了判断閾値（所定積算電流量）は低く設定され、起動時のシステム温度が低い場合には、暖機完了判断閾値は高く設定される。

なお、暖機完了判断閾値として、積算電流量を用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、燃料電池１０の起動時（イグニッションスイッチのオン時）からの積算電力量を用いてもよく、あるいは発電時間を用いてもよい。

そして、ステップＳ１２０において、制御装置５１は、氷点下起動制御を実施する。氷点下起動制御とは、燃料電池１０の暖機を促進する制御であり、例えば、ウォータポンプ４２のモータの回転速度を下げて燃料電池１０に供給する冷媒の流量を減少させたり、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を上げて燃料電池１０のカソードに供給する空気の流量を増加させたり、あるいは背圧弁３２の開度を絞って燃料電池１０のカソードの圧力を増加させる。すなわち、冷媒の流量を減少させることにより燃料電池１０の冷却能力が低減され、空気の流量を増加させることによりエアコンプレッサ３１からの高温の圧縮空気によって燃料電池１０が温められ、背圧弁３２の開度が絞られることにより空気中の酸素と水素との反応が促進されて燃料電池１０の発熱量が増加して、燃料電池１０の暖機が促進される。なお、氷点下起動制御は、以上例示したいずれかひとつを実施してもよく、複数を組み合わせて実施してもよい。このステップＳ１２０が、本実施形態における暖機促進制御部５１ａが実施する処理に相当する。

そして、ステップＳ１３０において、制御装置５１は、外部負荷（図示せず）への発電電流（発電電力）の供給を開始することにより発電を開始する。なお、外部負荷とは、エアコンプレッサ３１やウォータポンプ４２などである。

そして、ステップＳ１４０において、制御装置５１は、積算発電量算出部５１ｄによって算出された現在の積算発電量が、ステップＳ１１０で設定された暖機完了判断閾値（所定積算電流値）以上であるか否かを判断する。なお、このステップＳ１４０が、本実施形態における暖機完了判断部５１ｂが実施する処理に相当する。ステップＳ１４０において、制御装置５１は、暖機完了判断閾値以上ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４０の処理を繰り返し、暖機完了判断閾値以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０に移行する。

ステップＳ１５０において、制御装置５１は、暖機は完了したと判断（これ以上の暖機は不要と判断）して、ステップＳ１２０において実施を開始した氷点下起動制御を解除する。すなわち、ウォータポンプ４２の回転速度を上げて冷媒の流量を通常運転時の状態に戻し、エアコンプレッサ３１の回転速度を下げてカソードに供給される空気の流量を減少させて通常運転時の状態に戻し、背圧弁３２の開度を広げて空気の圧力を低下させて通常運転時の状態に戻す。

そして、ステップＳ１６０において、制御装置５１は、通常発電に移行し、ステップＳ１７０において、発電中であるか否かを判断する。なお、発電中であるか否かの判断は、イグニッションスイッチ（ＩＧ ＳＷ）がオフ（ＯＦＦ）されたことによって判断される。ステップＳ１７０において、制御装置５１は、まだ発電中であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１６０に戻って通常発電を継続し、発電中ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、処理を終了する。

また、ステップＳ１００において、制御装置５１は、氷点下起動を行なわないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６０に進み、直ちに通常発電を実施する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、起動時の燃料電池１０の温度（システム温度）に基づいて暖機完了判断閾値を変更しているので、暖機時間を適切な時間に設定することが可能になる。その結果、暖機完了判断の遅れによる暖機促進のためのエネルギ（水素）の無駄遣いや、暖機が完了していないにも拘らず（暖機が必要であるにも拘らず）暖機を早期に終了させてしまうといった不具合を防止することが可能になる。

また、本実施形態によれば、暖機完了判断閾値を積算発電量によって設定したことにより、燃料電池１０の内部の解氷判断を正確に行なうことが可能になり、燃料電池１０の暖機完了判断を精度よく行なうことが可能になる。

なお、本実施形態では、暖機完了判断閾値のパラメータとして積算電流値（積算発電量）を用いた場合（図３参照）を例に挙げて説明したが、図４に示すように、暖機完了判断閾値のパラメータとしてシステム温度を用いた場合のマップに基づいて設定してもよい。すなわち、図４に示すように、起動時のシステム温度が高い場合には、暖機完了判断システム温度における暖機完了判断閾値（所定システム温度、所定温度）は低く設定され、起動時のシステム温度が低い場合には、暖機完了判断閾値は高く設定される。

このように、燃料電池１０の暖機完了判断閾値のパラメータとしてシステム温度を使用し、さらに暖機完了判断閾値（所定システム温度）を起動時のシステム温度に基づいて決定することで、燃料電池１０が安定状態にあるか否かを正確に判断することが可能になる。これは、燃料電池１０の温度（システム温度）が上がれば、発電安定性も向上するからである。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 起動制御を示すフローチャートである。 暖機完了判断閾値のパラメータとして積算電流値を用いた場合のマップである。 暖機完了判断閾値のパラメータとしてシステム温度を用いた場合のマップである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
３１ エアコンプレッサ
４２ ウォータポンプ
５１ 制御装置
５１ａ 暖機促進制御部
５１ｂ 暖機完了判断部
５１ｃ 暖機完了判断閾値設定部
５１ｄ 積算発電量算出部
５２ 温度センサ（温度検出手段）
５３ 電流センサ
５４ 電圧センサ

Claims (3)

1. 反応ガスが供給されて発電を行なう燃料電池と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池の暖機を促進するように制御する暖機促進制御部と、
   前記燃料電池の暖機の完了判断を行なう暖機完了判断部と、を有し、
   前記暖機完了判断部により暖機が完了したと判断されるまで、前記暖機促進制御部によって暖機促進制御を行なう燃料電池システムにおいて、
   前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の起動時の温度に基づいて、起動時の前記燃料電池の温度が低いほど暖機完了の判断が遅れるように暖機完了判断閾値を設定する暖機完了判断閾値設定部をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の起動からの積算発電量を算出する積算発電量算出部を有し、
   前記暖機完了判断閾値設定部により設定される暖機完了判断閾値は前記積算発電量により設定され、
   前記積算発電量算出部により算出された積算発電量が前記暖機完了判断閾値設定部により設定された所定積算発電量になったときに前記暖機完了判断部により暖機が完了したと判断され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. 前記暖機完了判断閾値設定部により設定される暖機完了判断閾値は前記燃料電池の温度により設定され、
   前記温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が前記暖機完了判断閾値設定部により設定された所定温度になったときに前記暖機完了判断部により暖機が完了したと判断され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。

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