JP2016031776A - 燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの電圧を過剰に低下させることなく適切なタイミングで冷媒の循環を開始できる燃料電池システムの起動方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、反応ガスが供給されると発電する燃料電池スタックと、スタックを含む冷媒循環路内で冷媒を循環させるウォータポンプと、を備える。この燃料電池システムの起動方法は、所定の起動指令に応じてスタックへの反応ガスの供給を開始するシステム起動処理と、スタックの内部温度と冷媒温度との差を推定する温度差推定工程と、氷点下起動時にはシステム起動処理を開始してから上記温度差が所定の導入判定温度差を超えたことに応じて冷媒の循環を開始する熱媒体循環工程と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムの起動方法に関する。

特許文献１には、燃料電池システムの起動方法、特に冷媒の温度が０℃以下となるような氷点下の環境下における燃料電池システムの起動方法が開示されている。特許文献１の燃料電池システムでは、氷点下起動時には、燃料電池の温度を調整するための冷媒の循環を停止し、燃料電池の発電による昇温を促進することが示されている。

特開２０１０−２５７６３５号公報

特許文献１の燃料電池システムでは、上述のように氷点下起動時には冷媒の循環を一時的に停止し、燃料電池の内部温度が所定温度以上まで上昇してから冷媒の循環を開始している。しかしながらこれでは、図５に示すように冷媒循環を停止している間における燃料電池の昇温は速やかにできるものの、冷えた冷媒の循環を開始した途端に燃料電池スタックの総電圧及び最低セル電圧共に大きく低下してしまう場合がある。

本発明は、燃料電池の電圧を過剰に低下させることなく適切なタイミングで冷媒の循環を開始できる燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。

（１）燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガスが供給されると発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池スタック２）と、当該燃料電池を含む熱媒体回路（例えば、後述の冷媒循環路５１）内で熱媒体を循環させる温度調整装置（例えば、後述のウォータポンプ５２）と、を備える。この燃料電池システムの起動方法は、所定の起動指令に応じて前記燃料電池への反応ガスの供給を開始する発電工程（例えば、後述のシステム起動処理）と、前記燃料電池の内部の温度と前記熱媒体回路の内部の温度との差（例えば、後述の内外温度差）を推定する温度差推定工程（例えば、後述の図３のＳ６の処理）と、低温起動時には前記発電工程を開始してから前記温度差が所定値（例えば、後述の導入判定温度差）を超えたことに応じて前記熱媒体の循環を開始する熱媒体循環工程（例えば、後述の図３のＳ７〜Ｓ９の処理）と、を備える。

（２）燃料電池システムの起動方法は、所定の起動指令に応じて前記燃料電池への反応ガスの供給を開始する発電工程（例えば、後述のシステム起動処理）と、前記燃料電池の目標電流値を取得し、当該目標電流値に基づいてアイドル状態であるか否かを判定するアイドル判定工程（例えば、後述の図３のＳ３の処理）と、低温起動時には前記発電工程を開始してから前記アイドル状態であると判定されたことに応じて前記熱媒体の循環を開始する熱媒体循環工程（例えば、後述の図３のＳ３〜Ｓ９の処理）と、を備える。

（３）この場合、前記熱媒体循環工程では、前記燃料電池の内部の温度が高くなるほど前記熱媒体の単位時間当たりの循環量を増加することが好ましい。

（１）本発明では、燃料電池システムの起動時には、始めに反応ガスの供給を開始し、さらに熱媒体の循環を停止する。これにより、起動開始直後に冷えた熱媒体が燃料電池を流れることによって、発電による燃料電池の昇温が阻害されるのを防止でき、ひいては速やかに燃料電池を要求に応じた出力が可能な状態にできる。また、このように熱媒体の循環を停止すると燃料電池の内部温度が速やかに上昇するものの、燃料電池の内部温度と熱媒体回路の内部温度との差も速やかに広がってしまう。そこで本発明では、燃料電池の内部と熱媒体回路の内部との温度差が所定値を超えたことに応じて熱媒体の循環を開始する。換言すれば本発明では、温度差が過剰に大きくなる前に熱媒体の循環を開始する。これにより、冷えた熱媒体の循環を開始することによる燃料電池の電圧の低下を小さくできるので、燃料電池システムの低温起動時における発電安定性を向上することができる。

（２）本発明では、燃料電池システムの起動時には、始めに反応ガスの供給を開始し、さらに熱媒体の循環を停止する。これにより、（１）と同様に発電による燃料電池の昇温が阻害されるのを防止でき、ひいては速やかに燃料電池を要求に応じた出力が可能な状態にできる。また本発明では、燃料電池の目標電流値に基づいてアイドル状態であるか否かを判定し、アイドル状態であると判定された場合には、これに応じて熱媒体の循環を開始する。熱媒体の循環を開始すると燃料電池の昇温速度は低下してしまう。しかしアイドル状態である場合には、そもそも燃料電池から大きな電流が取り出されることも無いため、燃料電池の昇温速度が遅くてもそれほど支障はない。むしろ、燃料電池と熱媒体回路の内部温度の差が広がった状態で熱媒体の循環が開始されてしまい、これによって燃料電池の温度が大きく低下し、発電が不安定になることの弊害の方が大きい。本発明では、アイドル状態である場合には温度差が広がる前に速やかに熱媒体の循環を開始することにより、このような弊害を未然に防ぐことができる。

（３）本発明では、燃料電池の内部温度が高くなるほど熱媒体の単位時間当たりの循環量を増加する。すなわち、始めは熱媒体の循環量を少なくし、徐々に循環量を増加させる。これにより、冷えた熱媒体が大量に燃料電池に導入されることによって燃料電池の温度が大きく低下し、ひいては電圧も大きく低下するのを防止できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 ウォータポンプの駆動電流のデューティ比を決定するマップの一例である。 ウォータポンプをオン／オフするタイミングを決定する手順を示すフローチャートである。 図３の手順に従ってウォータポンプをオン／オフした場合における冷媒循環量の変化を示すタイムチャートである。 従来の起動方法に従って冷媒を導入するタイミングを決定した場合における燃料電池の電圧の変化を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に反応ガスとしての水素を供給するアノード系３と、燃料電池スタック２に反応ガスとしての酸素を含んだエアを供給するカソード系４と、燃料電池スタック２を冷却する冷却装置５と、燃料電池スタック２で発電した電力を蓄えるバッテリＢと、燃料電池スタック２及びバッテリＢからの電力の供給によってタイヤ（図示せず）を駆動する走行モータＭと、これらの電子制御ユニットであるＥＣＵ６と、を備える。なお、この燃料電池システム１は、上記タイヤを駆動輪とした燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という）２は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このスタック２は、アノード電極側に形成されたアノード流路２１に水素が供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路２２に酸素を含んだ空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

発電中のスタック２から取り出される出力電流は、電流制御器２９を介してバッテリＢや負荷（走行モータＭ及びエアコンプレッサ４１等）に入力される。ＥＣＵ６は、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサからの出力信号に基づいて、スタック２の出力電流に対する目標値に相当する目標電流値を算出する（図示せず）。電流制御器２９は、ＥＣＵ６によって算出されたこれら目標電流値を用いて、これが実現されるように発電中のスタック２の出力電流を制御する。

バッテリＢは、スタック２で発電した電力や、走行モータＭによって回生制動力として回収した電気エネルギーを蓄える。また、例えば燃料電池システム１の起動時において、スタック２の出力電流が制限されているときや車両の高負荷運転時等には、バッテリＢに蓄えられた電力はスタック２の出力を補うようにして負荷に供給される。

アノード系３は、水素ガスを高圧で貯蔵する水素タンク３１と、水素タンク３１からスタック２のアノード流路２１の導入部に至る水素供給管３２と、アノード流路２１の排出部からカソード系４に設けられた希釈器（図示せず）に至る水素排出管３３と、水素排出管３３から分岐し水素供給管３２に至る水素還流管３４と、を含んで構成される。水素を含んだガスの水素循環流路は、水素供給管３２、アノード流路２１、水素排出管３３及び水素還流管３４によって構成される。

水素供給管３２には、水素タンク３１側からスタック２側へ向かって順に、遮断弁３２１と、遮断弁３２１を介して供給された新たな水素ガスをスタック２へ向けて噴射するインジェクタ３２２と、水素還流管３４から還流されたガスをスタック２へ循環させるイジェクタ３２３と、が設けられている。遮断弁３２１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。インジェクタ３２２からの水素ガスの噴射量は、ＥＣＵ６によるＰＷＭ制御によって制御される。

水素排出管３３には、スタック２側からカソード系４側へ向かって順に、アノード流路２１からガスと共に排出された水を貯留するキャッチタンク３３１と、水素循環流路内のガスをカソード系４側へ排出するパージ弁３３２と、が設けられている。パージ弁３３２は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

またキャッチタンク３３１には、溜まった水を排出するためのドレイン管３５が設けられている。このドレイン管３５は、キャッチタンク３３１から水素排出管３３のうちパージ弁３３２の下流側に至る。ドレイン管３５にはドレイン弁３５１が設けられている。このドレイン弁３５１を開くと、キャッチタンク３３１内に溜まった水は、水素排出管３３を介してカソード系４の図示しない希釈器へ排出される。ドレイン弁３５１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

カソード系４は、エアコンプレッサ４１と、エアコンプレッサ４１からカソード流路２２の導入部に至る空気供給管４２と、カソード流路２２の排出部から図示しない希釈器に至る空気排出管４３と、空気排出管４３から分岐し空気供給管４２に至る空気還流管４５と、空気排出管４３と空気供給管４２とを接続する加湿器４６と、を含んで構成される。酸素を含んだガスの酸素循環流路は、空気供給管４２、カソード流路２２、空気排出管４３及び空気還流管４５によって構成される。

エアコンプレッサ４１は、空気供給管４２を介してスタック２のカソード流路２２に外気を供給する。エアコンプレッサ４１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて作動する。エアコンプレッサ４１の回転数は、ＥＣＵ６によって制御される。

加湿器４６は、カソード流路２２から排出されたガスに含まれる水を回収し、回収した水を用いてエアコンプレッサ４１から供給される空気を加湿する。この加湿器４６の機能により、発電中のスタック２のＭＥＡは発電に適した程度に湿潤な状態に維持される。

空気供給管４２には、加湿器４６をバイパスするバイパス管４７が設けられている。このバイパス管４７には、バイパス弁４７１が設けられている。バイパス弁４７１を開くと、エアコンプレッサ４１から供給される空気の多くはバイパス管４７を介して、すなわち加湿器４６を迂回してスタック２に供給される。バイパス弁４７１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

また、空気供給管４２及び空気排出管４３には、それぞれ入口封止弁４２１及び出口封止弁４３１が設けられている。これら封止弁４２１，４３１を閉じると、スタック２のカソード流路２２の内部は、外気から遮断される。これら封止弁４２１，４３１は、ＥＣＵ６からの指令信号に応じて開閉する電磁弁である。

冷却装置５は、スタック２の内部を流路の一部として含む冷媒循環路５１と、冷媒循環路５１に設けられこの循環路５１内で冷媒を循環させるウォータポンプ５２と、冷媒循環路５１の一部となるラジエタ５３と、を備える。冷却装置５は、ウォータポンプ５２によって冷媒を循環しスタック２と冷媒との熱交換を促進するとともに、ラジエタ５３によって冷媒を冷却することにより、スタック２を保護するために定められた上限温度を上回らないようにする。

冷媒循環路５１を循環する冷媒の単位時間当たりの循環量は、ウォータポンプ５２の回転数によって制御される。また、ウォータポンプ５２のオン／オフ又はその回転数は、バッテリＢからウォータポンプ５２に供給される駆動電流のデューティ比をＥＣＵ６によって制御することによって調整される。ＥＣＵ６は、後述の図３に示す手順に従ってウォータポンプ５２のオン／オフを決定するとともに、ウォータポンプ５２をオンにする場合には、後述の手順に従ってスタック２の内部温度を推定し、このスタック内部温度に基づいて図２に示すようなマップを検索することによって、ウォータポンプ５２のデューティ比を決定する。図２に示すマップによれば、スタック２の内部温度が高くなるほど冷媒の単位時間当たりの循環量は増加する。

ＥＣＵ６には、冷媒温度センサ２４、スタックエア温度センサ２５、電流センサ２６等の燃料電池システム１の状態を把握するための複数のセンサが接続されている。

冷媒温度センサ２４は、冷媒循環路５１に設けられ、その内部を流れる冷媒の温度に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。ＥＣＵ６は、この冷媒温度センサ２４の出力に基づいて冷媒の温度を取得する。

電流センサ２６は、スタック２の出力電流を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。スタックエア温度センサ２５は、カソード流路２２の出口側に設けられ、カソード流路２２から排出されるガスの温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。ＥＣＵ６は、これら電流センサ２６やスタックエア温度センサ２５の検出値を用いることによって、スタック２の内部温度を推定する。スタック２の内部温度は、その発電状態によって変化する。ＥＣＵ６では、電流センサ２６を用いてスタック２の出力電流の履歴を参照したり、スタックエア温度センサ２５を用いてスタック２の内部から排出されるガスの温度を参照したりすることによって、精度良くスタック２の内部温度を推定できる。

図示しない車両の運転席には、燃料電池システム１を起動したり停止したりするために運転者が操作可能なイグニッションスイッチＩＧが設けられている。イグニッションスイッチＩＧは、運転者によってオフからオンにされると、燃料電池システム１の起動指令信号をＥＣＵ６に出力する。ＥＣＵ６は、この起動指令信号を受信したことを契機として、スタックへの水素及び空気の供給を開始するシステム起動処理（図示せず）や冷媒循環を開始又は停止するタイミングを決定する処理（後述の図３参照）等を開始する。イグニッションスイッチＩＧは、運転者によってオンからオフにされると燃料電池システム１の停止指令信号をＥＣＵ６に出力する。ＥＣＵ６は、この停止指令信号を受信したことを契機として、システム停止処理（図示せず）を開始する。

図３は、冷媒の循環を開始又は停止するタイミング、すなわちウォータポンプをオン／オフするタイミングを決定する手順を示すフローチャートである。なお、上述のようにウォータポンプのデューティ比は、上述のように図２に示すようなマップを参照してスタックの内部温度に応じて適切な値に制御される。図３に示す処理は、運転者によってイグニッションスイッチがオフからオンにされてから所定のシステム暖機時間が経過するまでの間にわたり、所定の周期で繰り返し実行される。

始めにＳ１では、ＥＣＵは、今回のシステム起動が氷点下起動であるか否かを判定する。より具体的には、ＥＣＵは、冷媒温度センサの出力に基づいて冷媒温度を取得し、冷媒温度が所定温度（例えば、０℃）以下である場合には氷点下起動であると判定し、Ｓ２に移り、冷媒温度が上記所定温度より高い場合には氷点下起動でないと判定し、Ｓ８に移る。Ｓ８では、ＥＣＵは、ウォータポンプをオンにし、冷媒を循環させる。

Ｓ２では、ＥＣＵは、スタックの目標電流値を取得し、Ｓ３に移る。Ｓ３では、ＥＣＵは、現在のスタックがアイドル状態であるか否かを判定する。より具体的には、ＥＣＵは、先のステップで取得したスタックの目標電流値が所定値以下である場合にはアイドル状態であると判定し、Ｓ８に移り、ウォータポンプをオンにし、冷媒を循環させる。また、目標電流値が上記所定値より大きい場合にはアイドル状態でないと判定し（すなわち、加速状態であると判定し）、Ｓ４に移る。

ここで、氷点下起動時であってもアイドル状態である場合には、冷媒を循環させることの効果について説明する。氷点下起動時に冷媒を循環させると、発電中のスタックには冷えた冷媒が導入されるため、その温度上昇速度は低下する。しかしながらアイドル状態では、そもそもスタックに対して大きな出力が要求されないため、速やかにスタックの温度を上昇させることの必要性は低い。それよりも、氷点下起動時において冷媒の循環を開始するタイミングを遅らせてしまい、スタックと冷媒の温度差が大きくなった状態で冷えた冷媒を導入することによって大きくスタックの温度が低下してしまい、ひいては電圧も大きく低下することの弊害の方が大きい。図３の処理では、このような弊害を防止するため、アイドル状態である場合には直ちに冷媒の循環を開始する。

フローチャートの説明に戻り、Ｓ４では、ＥＣＵは、電流センサ及びスタックエア温度センサの出力を用いることによってスタックの内部温度を推定し、Ｓ５に移る。Ｓ５では、ＥＣＵは、冷媒温度センサの出力に基づいて冷媒温度を取得し、Ｓ６に移る。Ｓ６では、ＥＣＵは、取得したスタック内部温度から冷媒温度を減算することによって内外温度差を算出し、Ｓ７に移る。Ｓ７では、ＥＣＵは、内外温度差が所定の導入判定温度差より高いか否かを判定する。Ｓ７の判定がＮＯである場合（すなわち、内外温度差が導入判定温度差以下である場合）には、ＥＣＵは、ウォータポンプをオフにし、冷媒の循環を停止する（Ｓ９）。またＳ７の判定がＹＥＳである場合（すなわち、内外温度差が導入判定温度差より高い場合）には、ＥＣＵは、ウォータポンプをオンにし、冷媒の循環を開始する（Ｓ８）。図３の処理では、氷点下起動時にはこのように内外温度差が導入判定温度差を超えたことに応じて冷媒の循環を開始することにより、冷えた冷媒がスタックに導入されることによって、その温度が大きく低下してしまい、ひいてはスタックの発電が不安定になるのを防止できる。

図４は、図３のフローチャートに従ってウォータポンプをオン／オフした場合における冷媒循環量の変化を示すタイムチャートである。図４には、時刻０において氷点下起動（ＩＧ−ＯＮ）を開始し、その後、スタックから所定値の電流を引き続けた場合における、スタックの出力電流値、冷媒循環量、内外温度差の変化を示す。また図４には、スタックへの負荷を３段階に変化させた場合を、線種を変えて示す。より具体的には、実線は高負荷とした場合、破線は中負荷とした場合、一点鎖線は低負荷（アイドル状態）とした場合を示す。

図４において実線及び破線で示すように、氷点下起動を行った場合、内外温度差が導入判定温度差を超えるまでは冷媒の循環は停止され、内外温度差が導入判定温度差を超えると冷媒の循環は開始される。この際、スタックから大きな電流を引き続けた場合（高負荷の場合）、スタックの内部温度は速やかに上昇するため、内外温度差も急激に大きくなる。したがって、中負荷よりも高負荷の方が、冷媒の循環を開始するタイミングは早くなる。

また図４において一点鎖線で示すように、氷点下起動を行ってから常に低負荷とした場合、内外温度差が導入判定温度差以下であるにも関わらず、高負荷又は中負荷とした場合よりも速やかに冷媒の循環が開始される。これは、図３を参照して説明したように、アイドル状態ではそもそも大きな電流が引きだされることも無いため、スタックの内部温度を速やかに上昇させる必要がないからである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
５１…冷媒循環路（熱媒体回路）
５２…ウォータポンプ（温度調整装置）
６…ＥＣＵ

Claims (3)

1. 反応ガスが供給されると発電する燃料電池と、当該燃料電池を含む熱媒体回路内で熱媒体を循環させる温度調整装置と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
   所定の起動指令に応じて前記燃料電池への反応ガスの供給を開始する発電工程と、
   前記燃料電池の内部の温度と前記熱媒体回路の内部の温度との差を推定する温度差推定工程と、
   低温起動時には前記発電工程を開始してから前記温度差が所定値を超えたことに応じて前記熱媒体の循環を開始する熱媒体循環工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
2. 反応ガスが供給されると発電する燃料電池と、当該燃料電池を含む熱媒体回路内で熱媒体を循環させる温度調整装置と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
   所定の起動指令に応じて前記燃料電池への反応ガスの供給を開始する発電工程と、
   前記燃料電池の目標電流値を取得し、当該目標電流値に基づいてアイドル状態であるか否かを判定するアイドル判定工程と、
   低温起動時には前記発電工程を開始してから前記アイドル状態であると判定されたことに応じて前記熱媒体の循環を開始する熱媒体循環工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
3. 前記熱媒体循環工程では、前記燃料電池の内部の温度が高くなるほど前記熱媒体の単位時間当たりの循環量を増加することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの起動方法。

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