JP2011175777A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の氷点下起動において、該燃料電池を熱衝撃から有効に保護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】反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池の内部を通過した冷媒を回収して再び該燃料電池内へ導入するための循環流路と、循環流路を介して燃料電池の内部へ冷媒を循環させるための循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の氷点下起動時に、循環装置を停止した状態で燃料電池の発電を行う発熱動作と、燃料電池の発電を停止した状態で循環装置の駆動を行う循環動作と、を交互に繰り返し実行する。この際、燃料電池の発電による発熱量が所定の目標発熱量に達した場合に、発熱動作から循環動作への切り替えを行う。また、循環動作の実行中に、燃料電池と冷媒とが熱平衡に達した場合に、該循環動作から前記発熱動作への切り替えを行う。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、複数枚の単位電池が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位電池自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側から拡散層、ガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。そして、アノードに水素を含むアノードガスが供給され、カソードに空気などの酸素を含むカソードガスが供給されることによって、両電極で電気化学反応が起こり、両電極間に電圧が発生する仕組みになっている。

このような燃料電池においては、低温始動の際に発電効率が大幅に低下することが知られている。そこで、例えば、特開２００５−２７６５６８号公報には、氷点下環境で燃料電池を始動する場合に、冷媒の循環と停止とを交互に繰り返し実行する燃料電池システムが提案されている。このシステムでは、より具体的には、燃料電池スタックの入口付近の冷媒の温度が０℃以下であったときに、該冷媒温度が０℃を超えるまで冷媒の循環を停止する冷却停止サイクルと、所定時間が経過したときに冷媒を循環させる冷却実行サイクルと、が交互に繰り返し実行される。これにより、燃料電池スタックの加熱を促進させるとともに、過剰な昇温を抑制することができる。

特開２００５−２７６５６８号公報 特開２００４−１５２６６６号公報 特開２００８−２１０６４６号公報

しかしながら、上記従来の技術では、冷媒の流通が停止されている冷却停止サイクルが所定時間継続されるため、燃料電池スタック内の温度は、実質的に所定時間が経過するまで上昇を続ける。このため、冷却停止サイクルの実行時間の長さによっては、該燃料電池スタック内が予想以上に昇温されてしまうことも想定される。この場合、その後、冷却実行サイクルに移行して、低温の冷媒が該燃料電池スタック内に流入すると、スタック発電面内で高温部分と低温部分とが混在してしまい、熱衝撃によるセパレータ割れやスタックの締結荷重抜けが発生して、ガスリーク等を誘発するおそれがある。

このように、燃料電池内の発熱状況を把握せずに、単に冷媒の循環と停止とを交互に繰り返し実行する上記従来の技術では、燃料電池を熱衝撃から有効に保護することができず改善が望まれていた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の氷点下起動において、該燃料電池を熱衝撃から有効に保護することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の内部を通過した冷媒を回収して再び該燃料電池内へ導入するための循環流路と、前記循環流路を介して前記燃料電池の内部へ冷媒を循環させるための循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の氷点下起動時に、前記循環装置を停止した状態で前記燃料電池の発電を行う発熱動作と、前記燃料電池の発電を停止した状態で前記循環装置の駆動を行う循環動作と、を交互に繰り返し実行する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電による発熱量が所定の目標発熱量に達した場合に、前記発熱動作から前記循環動作への切り替えを行うことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記制御手段は、
前記循環動作の実行中に、前記燃料電池と前記冷媒とが熱平衡に達した場合に、該循環動作から前記発熱動作への切り替えを行うことを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池の氷点下起動時に、循環装置を停止した状態で燃料電池の発電を行う発熱動作と、燃料電池の発電を停止した状態で循環装置の駆動を行う循環動作と、が交互に繰り返し実行される。この際、発熱動作から循環動作への切り替えは、燃料電池の発電による発熱量が所定の目標発熱量に達したタイミングで実行される。このため、本発明によれば、燃料電池内の発熱量を把握した上で、発熱動作から循環動作への切り替えタイミングを設定することができるので、冷媒と燃料電池内部との温度差が過剰となる事態を有効に抑制することができる。これにより、熱衝撃による燃料電池の内部部品の破損やガスリークを有効に抑制することができる。

第２の発明によれば、循環動作中において、燃料電池と冷媒とが熱平衡に達した場合に、該循環動作から発熱動作への切り替えが行われる。このため、本発明によれば、燃料電池から冷媒への熱交換を確実に行いつつ、発熱動作へ逸早く移行することができる。

本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。 図１に示す燃料電池１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。 燃料電池１０の氷点下起動時における発電電力、冷媒流量、および冷媒温度の変化を示すタイミングチャートである。 本実施の形態において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態の燃料電池システムの変形例を説明するための図である。 本発明の実施の形態の燃料電池システムの変形例を説明するための図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、固体高分子分離膜を備えた固体高分子型の燃料電池であり、主として燃料電池自動車などに搭載されるものである。燃料電池１０は複数枚の単位電池を積層されて構成されている。各単位電池は、プロトン伝導性の電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。単位電池の構造に関しては詳細を後述する。

燃料電池１０には、アノードガス（水素）を供給するためのアノードガス流路１２と、アノードオフガス流路１４と、が接続されている。アノードガス流路１２の上流端は、アノードがス供給源に接続され、その下流には調圧弁が配置されている（何れも図示せず）。アノードガスは調圧弁で減圧され、所望の圧力に減圧されてから燃料電池１０に供給される。燃料電池１０内を通ったアノードガスは、アノードオフガスとしてアノードオフガス流路１４に排気される。アノードオフガス流路１４の下流には、図示しない希釈器が接続されている。アノードオフガス中に残存している水素は、希釈器内で十分に低い濃度まで希釈された後外部に放出される。

また、燃料電池１０には、カソードガス（空気）を供給するためのカソードガス流路１６と、カソードオフガスを排出するためのカソードオフガス流路１８とが接続されている。カソードガス流路１６の入口には、外部から取り込まれた空気に含まれている粉塵等を除去するエアフィルタが配置され、その下流にはコンプレッサが配置されている（何れも図示せず）。コンプレッサの作動によって吸入された空気は、カソードガス流路を介して燃料電池１０へ供給される。燃料電池１０内を通ったカソードガスは、カソードオフガスとしてカソードオフガス流路１８へ排気される。

また、本実施の形態の燃料電池システムは、循環系の冷却システムを備えている。より具体的には、燃料電池１０には、後述する燃料電池１０内部の冷媒流路５８を流通した冷媒を、再び該燃料電池１０へ循環させるための循環流路２０が接続されている。また、循環流路２０には、冷却器２２が配置されている。また、循環流路２０には、該冷却器２２の上流側と下流側とを接続するバイパス流路２４が接続され、その下流端にはロータリ弁２６が設けられている。ロータリ弁２６は、冷媒の流通先を、冷却器２２側とバイパス流路２４側との間で切り替える３方弁として構成されている。ロータリ弁２６の下流側には、冷媒を循環させるためのポンプ２８が配置されている。また、循環流路２０における燃料電池１０への入口部、出口部、および冷却器２２の下流側には、各地点における冷媒の温度を検出するための温度センサ３２、３４、および３６がそれぞれ配置されている。

また、図１に示すとおり、燃料電池１０の電極には、発電電流を検出するための電流計３８と、発電電圧を制御するための電圧計３９とが電気的に接続されている。また、本実施の形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３０を備えている。上述した温度センサ３２、３４、および３６の出力や、電流計３８および電圧計３９の検出値等はＥＣＵ３０に供給されている。ＥＣＵ３０は、これらのセンサ出力に基づいて、燃料電池１０の出力制御や、ポンプ２８等のアクチュエータの制御を行う。

［燃料電池の構成］
次に、図２を参照して、本実施の形態の燃料電池１０の構成について説明する。図２は、図１に示す燃料電池１０の一部を積層方向に切断した断面の詳細図である。図２に示すとおり、燃料電池１０は単位電池４０を複数積層したスタック構造を有している。単位電池４０は、発電体４２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路４４および４６、隣接する発電体４２を隔離するセパレータ４８によって構成されている。発電体４２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（ＭＥＡ）５０の外側に、図示しないガス拡散層をガスケットゴムで囲んで一体として形成されている。

多孔体流路４４および４６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路４４および４６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を向上させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路４４および４６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ５０のアノードおよびカソードに供給される。

セパレータ４８は、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路４４と接触するカソードプレート５２と、多孔体流路４６と接触するアノードプレート５４と、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレート５６とから構成されている。図２に示すとおり、中間プレート５６には複数の溝（図中では６本）が形成されている。これにより、セパレータ４８内部に複数の冷媒流路５８が形成されている。

［実施の形態の特徴的動作］
次に、図３を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。燃料電池１０は、低温環境下において発電効率が低下する。特に、氷点下環境下で燃料電池１０を起動する場合には、発電反応により生成される生成水が該燃料電池１０内部で凍結してしまい、発電性能が大幅に低下してしまう。

そこで、燃料電池１０の氷点下起動の際には、燃料電池１０の暖機促進の観点から、ポンプ２８を停止させて冷媒の循環を停止させることが好ましい。これにより、冷却系へ放熱される熱量を有効に抑制することができるので、燃料電池１０内部を有効に昇温させることができる。

しかしながら、冷媒の循環が停止された状態で燃料電池１０の暖機が相当程度進行すると、冷媒の循環を開始した際に、氷点下温度の冷媒が高温に昇温されている燃料電池１０内に一気に流入してしまう。このため、燃料電池１０内の温度変化が大きい場合には、熱衝撃によるセパレータ割れや一時的な締結荷重抜けによるガスリーク等が発生してしまうおそれがある。

そこで、本実施の形態では、燃料電池１０の氷点下起動時において、燃料電池１０内に急激な温度変化が生じないように、燃料電池１０の発電動作と冷媒の循環動作とを協調制御することとする。以下、図３に従ってこの制御の詳細について説明する。図３は、燃料電池１０の氷点下起動時における発電電力、冷媒流量、および冷媒温度の変化を示すタイミングチャートである。

この図に示すとおり、氷点下起動の際には、先ず、冷媒の循環を停止した状態で燃料電池１０の発電を開始することとする。そして、燃料電池１０の発熱量が所定の発熱量に達した時点で、該燃料電池１０の発電を停止するとともに、ポンプ２８を駆動して冷媒循環を開始することとする。所定の発熱量は、燃料電池１０内の発熱量と燃料電池１０に流入する冷媒の温度（以下、「冷媒入口温度」と称する）との関係から、冷媒循環を開始した場合に、該燃料電池１０の内部の温度変化が、熱衝撃による異常が発生しない範囲に収まる範囲で設定される。

冷媒循環が開始されると、低温の冷媒が燃料電池１０内に流入して、該冷媒と燃料電池１０との間で熱交換が行われる。このため、図３に示すとおり、冷媒の温度は、燃料電池１０内の熱量を吸収しながら循環されることで徐々に上昇する。尚、この際、燃料電池１０の温度は反対に低下する。しかしながら、上述したとおり、燃料電池１０内の発熱量が所定の発熱量に制限されているため、熱衝撃による破損は発生しない。また、冷媒循環の実行中は、燃料電池１０の発電が停止される。このため、冷媒循環中に生成水の凍結が起きる事態を有効に抑止することができる。

燃料電池１０と冷媒との間の熱交換が略終了すると、冷媒循環が停止されて、上述した燃料電池１０の発電が再度開始される。このように、燃料電池１０の氷点下起動中に上記処理を繰り返し実行することで、熱衝撃による異常を発生させることなく該燃料電池１０の温度を徐々に昇温させることができる。

［実施の形態の具体的処理］
次に、図４を参照して、本実施の形態の具体的処理について説明する。図４は、本実施の形態において燃料電池１０を起動する際に実行されるルーチンのフローチャートである。図４に示すとおり、先ず、起動処理許容時間の設定、必要発熱量の演算、および分割目標温度差の演算が実行される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、先ず、燃料電池１０の状態を把握するための情報として、冷媒入口温度等の情報が読み込まれる。そして、これらの情報から、燃料電池１０の起動処理に許容しうる時間、および燃料電池１０が所定温度（例えば０℃）に暖機されるまでに必要な発熱量が演算される。そして、これら演算された起動処理許容時間および必要発熱量に基づいて、１回の発電行程において上昇させるべき冷媒温度が演算される。

次に、温度センサ３２によって検出された冷媒温度が０度よりも小さいか否かが判定される（ステップ１０２）。その結果、冷媒温度＜０℃の成立が認められない場合には、通常の暖機制御を実行しても燃料電池１０が熱衝撃で破損するおそれはないと判断されて、次のステップに移行し、通常の暖機制御が実行される（ステップ１０４）。

一方、上記ステップ１０２において、冷媒温度＜０℃の成立が認められない場合には、通常の暖機制御を実行すると燃料電池１０が熱衝撃で破損するおそれがあると判断されて、次のステップに移行し、燃料電池１０の発電が実行される（ステップ１０６）。次に、燃料電池１０の発熱量が演算される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、電流計３８および電圧計３９の検出信号に基づいて、上記ステップ１０６において発電が開始されてからの発熱量の積算値が演算される。

次に、発熱量が放熱量よりも大きいか否かが判定される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８において演算された発熱量と冷媒への放熱量との大小関係が比較される。その結果、発熱量＞放熱量の成立が認められない場合には、燃料電池１０の発熱量が全て冷媒に放熱されていると判断されて、再度上記ステップ１０６の処理が実行される。一方、上記ステップ１１０において、発熱量＞放熱量の成立が認められた場合には、燃料電池１０の温度が上昇し始めたと判断されて、次のステップに移行し、発熱量が目標温度差分発熱量に到達したか否かが判定される（ステップ１１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０８において演算された発熱量が、上記ステップ１００において設定された分割目標温度差分に相当する発熱量に到達したか否かが判定される。その結果、発熱量が未だ目標温度差分発熱量に到達していない場合には、上記ステップ１０６の処理から再度本ルーチンが実行される。

一方、上記ステップ１１２において、発熱量が目標温度差分発熱量に到達したと判定された場合には、次のステップに移行し、発電が停止される（ステップ１１４）。次に、冷媒の循環が開始される（ステップ１１６）。ここでは、具体的には、ポンプ２８が駆動されて、冷媒が循環流路２０内を循環する。尚、この際、ロータリ弁２６は、バイパス流路側が開弁されるように設定されている。このため、冷媒は、冷却器２２に流通することなく冷却系を循環する。

次に、冷媒への伝熱量が発熱量に到達したかが判定される（ステップ１１８）。ここでは、冷媒温度に基づいて、該冷媒への伝熱量が演算される。そして、当該伝熱量が上記ステップ１０６において演算された発熱量に到達したか否かが判定される。その結果、発熱量＝伝熱量の成立が認められない場合には、燃料電池１０の発熱量の全量が冷媒へ伝熱されていないと判断されて、上記ステップ１１６に戻り、冷媒の循環が継続される。

一方、上記ステップ１１８において、発熱量＝伝熱量の成立が認められた場合には、燃料電池１０の発熱量の全量が冷媒へ伝熱されて熱平衡状態に到達したと判断されて、次のステップに移行し、冷媒の循環が停止される（ステップ１２０）。次に、温度センサ３２によって検出された冷媒温度が０℃を超えたか否かが判定される（ステップ１２２）。その結果、未だ冷媒温度が０℃に到達していないと判定された場合には、上記ステップ１０６へ移行して、再度本ルーチンが実行される。一方、本ステップ１２２において、冷媒温度が０℃に到達したと判定された場合には、通常の暖機制御に移行しても燃料電池１０が熱衝撃で破損するおそれはないと判断されて、次のステップに移行し、通常の暖機制御が実行される（ステップ１２４）。

以上説明したとおり、本実施の形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１０の氷点下起動において、冷媒の循環を停止して該燃料電池の発電（暖機）を行う場合に、所定の発熱量毎に発電反応が停止されて冷媒の循環が実行される。これにより、燃料電池１０内の温度と冷媒の温度との温度差を常に小さく保つことができるので、冷媒循環を開始した際の熱衝撃による燃料電池の破損を有効に抑止することができる。

また、本実施の形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１０の氷点下起動において、冷媒の循環中における発電が停止される。これにより、燃料電池１０の発電中に該燃料電池の温度が低下して、生成水が凍結してしまう事態を有効に抑止することができる。

ところで、上述した実施の形態では、ポンプ２８を駆動・停止させることにより、冷媒循環・停止を制御することとしているが、冷媒の循環制御の方法はこれに限られない。図５は、本実施の形態の燃料電池システムの変形例を説明するための図である。この図に示す燃料電池システムでは、図１に示すシステムに加えて、循環流路２０から燃料電池１０をバイパスする第２のバイパス流路６０と、該第２のバイパス流路に配置された制御弁６２とを備えている。このような構成のシステムによれば、ポンプ２８は常に駆動された状態で制御弁６２を開閉することによって、該燃料電池内への冷媒の循環・停止を制御することができる。これにより、冷媒循環の応答性を有効に向上させることができる。

また、図６は、本実施の形態の燃料電池システムの他の変形例を説明するための図である。この図に示す燃料電池システムでは、図１に示すシステムに加えて、循環流路２０における燃料電池１０への入口部に制御弁６４を備えている。このような構成のシステムによれば、ポンプ２８は常に駆動された状態で制御弁６４を開閉することによって、該燃料電池内への冷媒の循環・停止を制御することができる。これにより、冷媒循環の応答性を有効に向上させることができる。

また、上述した実施の形態では、発熱量と冷媒伝熱量との比較を行うことによって、冷媒循環の停止タイミングを判定することとしているが、判定方法はこれに限られない。すなわち、冷媒と燃料電池１０とが熱平衡に達するタイミングを判定できるのであれば、冷媒入口温度の上昇度合から判断してもよいし、また、他の公知な方法で判定することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態においては、ポンプ２８が前記第１の発明における「循環装置」に相当しているとともに、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「発熱動作」が、上記ステップ１１６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「循環動作」が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態においては、ＥＣＵ３０が、上記ステップ１１８の処理を実行することにより、前記第２の発明における「制御手段」が、実現されている。

１０ 燃料電池
１２ アノードガス流路
１４ アノードオフガス流路
１６ カソードガス流路
１８ カソードオフガス流路
２０ 循環流路
２２ 冷却器
２４ バイパス流路
２６ ロータリ弁
２８ ポンプ
３０ ＥＣＵ（Electric Control Unit）
３２，３４，３６ 温度センサ
３８ 電流計
３９ 電圧計
４０ 単位電池
４２ 発電体
４４，４６ 多孔体流路
４８ セパレータ
５０ ＭＥＡ
５２ カソードプレート
５４ アノードプレート
５６ 中間プレート
５８ 冷媒流路
６０ バイパス流路
６２ 制御弁
６４ 制御弁

Claims (2)

1. 反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の内部を通過した冷媒を回収して再び該燃料電池内へ導入するための循環流路と、前記循環流路を介して前記燃料電池の内部へ冷媒を循環させるための循環装置と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の氷点下起動時に、前記循環装置を停止した状態で前記燃料電池の発電を行う発熱動作と、前記燃料電池の発電を停止した状態で前記循環装置の駆動を行う循環動作と、を交互に繰り返し実行する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の発電による発熱量が所定の目標発熱量に達した場合に、前記発熱動作から前記循環動作への切り替えを行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、
   前記循環動作の実行中に、前記燃料電池と前記冷媒とが熱平衡に達した場合に、該循環動作から前記発熱動作への切り替えを行うことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。

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