JP4075634B2

JP4075634B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4075634B2
Application number: JP2003030952A
Authority: JP
Inventors: 紳二小川; 幸彦武田; 章山中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP2004241303A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両搭載用の燃料電池に係わり、より特別には燃料電池の暖機運転システム（装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池はその低公害性、効率等の面から注目されており、車両のエネルギ源としても開発されつつある。車両において、その駆動源として燃料電池が使用される場合には、車両停止時からの始動において素速く燃料電池自体を所定の稼動適正温度まで暖機することが必要である。
停止時における従来の燃料電池の温度の経時変化の例を図４に示す。図４で示すように、特に冬季等の低気温時において、燃料電池の温度は停止時に、適正運転温度より甚だしく低下する。従って、燃料電池の再起動時に短時間で燃料電池の温度を上昇するためには大きなエネルギが必要である。
【０００３】
車両搭載用の燃料電池の暖機システムとしてヒータにより燃料電池の冷却水を温めるシステム（装置）（例えば、特許文献１参照）が、従来技術において提案されている。この燃料電池を利用したシステムは通常運転時は効率が良く優れたシステムであるが、低温下で停止させておいて燃料電池が冷え切った場合、再起動時に燃料電池の運転温度まで加熱するために膨大なエネルギーが必要となり短時間で起動することが困難、また、効率が悪化するという問題が生じている。また、本体のみの加熱では、氷点下時はバルブが凍結し、再起動ができないこともある。
また、燃料電池用の別の暖機システム（例えば、特許文献２参照）も提案されている。
【特許文献１】
特開平第７−９４２０２号（第３頁）
【特許文献２】
特開第２０００−１９５５３３号（第３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の燃料電池の暖機システムにおいては種々の問題があった。
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、燃料電池の停止（後の再起動）時において、燃料電池システム（バルブ等を含む）を、断熱ボックス内に設置し、ボックス内部を空調用のヒートポンプの温風で暖めることによって、燃料電池システムの温度を保ち、再起動を短時間で行うことを可能にする燃料電池を提供する。即ち、停止時に冷やさない等により、燃料電池の迅速な暖機が可能であり、始動時間の短縮が可能である燃料電池を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の形態では、上述した目的を達成するために、冷却系、空気系、水素系の関連する配管系を具備する、車両用燃料電池は燃料電池のスタック本体の暖機システムを具備する。前記暖機システムには、前記燃料電池のスタック本体及び前記配管系の少なくとも一部を内部に収容する、断熱ボックスが具備されて、更に車両の空調装置が組み込まれており、前記断熱ボックスには、前記空調装置のヒートポンプサイクルに具備される熱交換器により暖められた空気が供給されることを特徴とする。
【０００６】
この様に構成することにより、再起動時に車両の空調装置のヒートポンプサイクルを利用して、効率良く燃料電池を暖機すること、又は燃料電池が停止している間に、燃料電池を断続的にヒートポンプサイクルで加熱し、再起動可能な温度に保つことにより、短時間で効率良く再起動できる。
【０００７】
本発明の請求項２の形態では、上記請求項１の形態において、前記配管系の少なくとも一部には、前記燃料電池のスタック本体の付近の配管及び弁類が含まれることを特徴とする。
本形態によれば、暖機される燃料電池の構成部分をより具体化する形態を開示すると共に、関連するバルブ等も暖めるので、バルブの凍結で空気、水素等が供給できないという問題の発生を防止できる。
【０００８】
本発明の請求項３の形態では、上記請求項１又は２の形態において、燃料電池は、その制御のための制御装置を具備する。制御装置は、空調装置から供給される、暖められた空気の流量を制御して、断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の暖機システムの制御の構成をより具備化した形態を開示する。
【０００９】
本発明の請求項４の形態では、上記請求項３の形態において、暖機システムは、断熱ボックス内の温度を計測可能な第１の温度センサを更に具備する。制御装置は第１の温度センサの検知した温度により、空調装置から供給される、暖められた空気の流量を制御して、断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする。
本形態によれば、第１の温度センサにより計測した断熱ボックス内の温度を使用するので、燃料電池の効率良い暖機、短時間で効率良い再起動のために燃料電池の暖機システムを確実に制御可能である。
【００１０】
本発明の請求項５の形態では、上記請求項３又は４の形態において、燃料電池は、外気温度又はエンジンルーム温度を計測するための第２の温度センサを具備しており、制御装置は、第２の温度センサの計測した外気温度又はエンジンルーム温度により、予め作成された燃料電池の保温の運転マップを使用して保温運転の時間を決定することを特徴とする。
本形態によれば、温度センサにより計測した外気温度又はエンジンルームの温度を使用するので、燃料電池の効率良い暖機、短時間で効率良い再起動のために、燃料電池の暖機をより適切に行える可能性がある。
【００１１】
本発明の請求項６の形態では、上記請求項１から５のいずれか一項の形態において、車両の空調装置のヒートポンプサイクルは、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサの下流に設置されていて圧縮された冷媒を冷却する室内熱交換器と、室内熱交換器の下流に設置されていて高圧の冷媒を膨張させる絞りと、絞りの下流に設置されていて冷房運転時に車両室内に送る空気を冷却するエバポレータとを少なくとも具備する。暖機システムは、室内熱交換器を通過する冷媒と熱交換して暖められる空気の通過する空気ダクトを更に具備しており、空気ダクトは断熱ボックスに接続されて暖められた空気を断熱ボックスに供給することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の暖機システムの構成をより具備した形態を開示する。
【００１２】
本発明の請求項７の形態では、上記請求項６の形態において、断熱ボックスに接続する空気ダクトには、空気の流れを遮断又は切り替え可能な切り替えダンパが具備されることを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の暖機システムの構成を更に具備化した形態を開示する。
【００１３】
本発明の請求項８の形態では、上記請求項３から５のいずれか一項の形態において、車両の空調装置のヒートポンプサイクルは、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサの下流に設置されていて圧縮された冷媒を冷却する室内熱交換器とを少なくとも具備する。暖機システムは、室内熱交換器を通過する冷媒と熱交換して暖められる、空気の通過する空気ダクトを更に具備して、空気ダクトは断熱ボックスに接続されて暖められた空気を断熱ボックスに供給する。断熱ボックスに接続する空気ダクトには、空気の流れを遮断又は切り替え可能な切り替えダンパが具備されており、前記制御装置は前記切り替えダンパを制御して、前記断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする。
本形態によれば、燃料電池の暖機システムの制御の構成をより具備化した形態を開示する。
【００１４】
本発明の請求項９の形態では、上記請求項７又は８の形態において、前記空気ダクトから車両室内へ空気を供給するダクトが、前記切り替えダンパの下流で分岐されることを特徴とする。
本形態によれば、暖機システムの構成をより具体化する形態を開示する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の装置を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る自動車用の燃料電池の暖機システム（装置）の第１の実施の形態の概略的な構成を図解的に示す。
【００１６】
図１を参照すると、本実施の形態の燃料電池の暖機システム（装置）２０が示されており、暖機システム２０として、車両用の空調システム（装置）２１と、燃料電池本体（スタック本体）１を収容する断熱ボックス３が含まれる。断熱ボックス３はその内部に、燃料電池本体１と、燃料電池本体１に接続する冷却系、空気系、水素系等の各配管系及び電気系、等とを収容する。前記配管系は付属する弁２を含む。断熱ボックス３には、断熱ボックス３内の温度を計測しその温度信号を車両のＥＣＵ（制御装置）１２に送る温度センサ１３が更に装備される。断熱ボックス３は、既知の市販の断熱材により断熱されており、断熱ボックス３内部の熱が低温の外気に放熱されることを防止して、断熱ボックス３内部を保温する。
【００１７】
暖機システム２０は、車両において一般的に搭載される空調システム（装置）２１をその一部として組み込む。空調システム２１は、ヒートポンプサイクル４を具備しており、本実施の形態においてはこのヒートポンプサイクル４において、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサ５と、コンプレッサ５で圧縮された高圧高温の冷媒にファンにより外気を当てて冷却する室内熱交換器８と、高圧の冷媒を膨張させて冷媒の気化に寄与する絞り６と、高圧の冷媒を気化させその気化熱により車室内空気を冷却するエバポレータ７とを図１に示すように具備する。運転においてコンプレッサ７により圧縮された冷媒は、上記の装置の順でヒートポンプサイクル４を流れ、エバポレータ７において車室内空気を冷却して冷房を行う。
【００１８】
本実施の形態における暖機システム２０においては、ダクト１５が室内熱交換器８に接続しており、ダクト１５内には、室内熱交換器８を通る高圧高温の冷媒と熱交換する空気が通される。ダクト１５は、その下流で分岐する一方のダクト１０に接続しており、ダクト１０は断熱ボックス３に接続して、断熱ボックス３に高温の空気（温風）を供給する。ダクト１５は、その下流で分岐する他方のダクト９に接続しており、ダクト９は車室内に連絡して車室内に暖房用空気を供給する。ダクト１５には、切り替えダンパ１１が具備されており、切り替えダンパ１１は、ダクト１０とダクト９との切り替え又は閉鎖、及びそれらを通り流れる空気の流量をそれぞれ調整するように作用する。暖機システム２０の構成の概要はこの様なものである。冷媒については種々のものが使用可能である。
【００１９】
暖機システム２０及び空調システム２１の構成機器、即ちコンプレッサ５、室内熱交換器８、エバポレータ７、絞り６、ダクト９，１０，１５、切り替えダンパ１１等について、それぞれ種々の既知なタイプの装置及び材料が使用可能であり、それらのタイプ等を限定するものではない。
【００２０】
次に、本実施の形態の作動について説明する。
先ず図１の燃料電池（本体）１の停止後の始動時の暖機運転時において、燃料電池（本体）１を暖機して、その温度を最適な稼動温度まで上昇させるために、空調システム２１の室内熱交換器８から供給される高温の空気（温風）が使用される。
【００２１】
本実施の形態においては、燃料電池（本体）１の通常運転が終了し停止モードになった場合に、燃料電池本体１の温度は低下する。図３に示す燃料電池（本体）１の温度の時間変化の図において、燃料電池１の温度が所定値Ａより下がったことを、断熱ボックス３内の温度を計測する温度センサ１３により検知し、その温度信号をＥＣＵ１２に送信することにより、ＥＣＵ１２は、空調システム２１を運転するよう制御し、ダクト１５の切り替えダンパ１１を調整することにより、室内熱交換器８により暖められた高温の空気の全量又は一部を断熱ボックス３に供給して、燃料電池本体１及びその配管系等を暖機するように制御する。この時、車室内が暖房中であれば高温の空気を分配し、暖房停止中であればダクト９の経路を閉鎖して、ダクト１０を介して断熱ボックス３に高温の空気の全量を流すように切り替えダンパ１１を制御する。車室内が冷房中であったとしても同様の運転は可能である。
燃料電池本体１の温度が所定値Ｂに上昇したことを、温度センサ１３により断熱ボックス３内の温度で検知して、ＥＣＵ１２は暖機運転を終了する。この場合切り替えダンパ１１は、ダクト１０への空気系路を実質的に全閉するので、断熱ボックス３に高温の空気は実質的に供給されない。また必要に応じて、空調システム２１は停止される。燃料電池１の停止モード時においてはこの様な暖機運転を繰り返す。
コンプレッサ７等へのエネルギ、電力供給は２次電池によって実施されても良く、別のエネルギ源により実施されても良い。
【００２２】
上記のごとくＥＣＵ１２により、燃料電池１の停止モードにおいて、少なくとも空調システム２１及び切り替えダンパ１１が制御されるので、図４に示す従来の燃料電池１の温度の経時変化のように燃料電池１の温度が極端に低下した状態で、燃料電池１を始動するのではなく、図３のように燃料電池１の温度は所定値付近より下がらないように制御されるので、燃料電池１の始動時において少ないエネルギで短時間に再起動が可能になる。
【００２３】
本発明の第２の実施の形態を図２に示しており、図２を参照すると、図１に開示される第１の実施の形態の要素部分と同じ又は同様である図２の要素部分は、同じ参照符号により指定されている。
ここでは上記第１の実施の形態の構成において、第２の温度センサ１４が具備されており、第２の温度センサ１４は、第１の温度センサ１３とは相違して、外気温度を計測して、その温度信号をＥＣＵ１２に送信し、それによりＥＣＵ１２は暖機システム２０を制御する。第２の温度センサ１４を第１の温度センサ１３の代わりに具備すること以外は、本実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成である。この様に構成することにより、燃料電池本体１の暖機は、外気温度をパラメータとした保温運転方法の運転マップに従って実施される。前記運転マップは予め検討して決定されている。
温度センサ１４は、外気温度の変わりにエンジンルームの温度を計測しても良い。
【００２４】
第２の実施の形態の作動についても、第１の温度センサ１３により計測された断熱ボックス３内の温度の代わりに、第２の温度センサ１４により計測された外気温により、保温の運転マップに従い暖機運転が実施される以外は、各構成要素の制御方法、手順等については第１の実施の形態と同様であるので、重複は避けて省略する。
【００２５】
次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態の燃料電池により以下の効果が期待できる。
・燃料電池の停止（後の再起動）時において、燃料電池本体を収容する断熱ボックスを具備することと、車両の空調システムのヒートポンプサイクルを利用して断熱ボックスに高温の空気を供給することとにより、燃料電池システム（バルブ等を含む）を効率良く暖機するか又は断続的に暖機することにより、燃料電池を短時間で効率良く再起動可能である。
・更に関連するバルブも暖めるので、バルブの凍結で空気、水素等が供給できない状態を防止する。
【００２６】
本発明の第２の実施の形態の燃料電池用の冷却装置により、上記第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果が期待できる。
・燃料電池システムの暖機をより適切に行える可能性がある。
【００２７】
上記実施例に示す冷却回路の構成は、基本的なものを示しており、保守、安全、制御、機能上から種々の追加の構成要素が追加的に具備されても良く、また構成機器及び要素の位置又は順序を一部を変えて構成されても良く、この様な変形形態は当業者には明らかである。
【００２８】
上記の実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る燃料電池の暖機システムの第１の実施の形態の概略的な構成を図解的に示す。
【図２】図２は、本発明に係る燃料電池の暖機システムの第２の実施の形態の概略的な構成を図解的に示す。
【図３】図３は、本発明の燃料電池の停止時における、燃料電池の温度の経時変化の好適な例を示す。
【図４】図４は、従来の燃料電池の停止時における、燃料電池の温度の経時変化の例を示す。
【符号の説明】
１…燃料電池
２…バルブ
３…断熱ボックス
４…ヒートポンプサイクル
５…コンプレッサ
６…絞り
７…エバポレータ
８…室内熱交換器
９…ダクト
１０…ダクト
１１…切り替えダンパ
１２…ＥＣＵ（制御装置）
１３…温度センサ
１５…ダクト
２０…暖機システム（装置）
２１…空調システム（装置）

Claims

冷却系、空気系、水素系の関連する配管系を具備する、車両用燃料電池において、この燃料電池は、
燃料電池のスタック本体の暖機システムを具備しており、
前記暖機システムには、
前記燃料電池のスタック本体及び前記配管系の少なくとも一部を内部に収容する、断熱ボックスが具備されて、更に車両の空調装置が組み込まれており、
前記断熱ボックスには、前記空調装置のヒートポンプサイクルに具備される熱交換器により暖められた空気が供給されることを特徴とする車両用燃料電池。
前記配管系の少なくとも一部には、前記燃料電池のスタック本体の付近の配管及び弁類が含まれることを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池。
該燃料電池は、その制御のための制御装置を具備しており、
前記制御装置は、前記空調装置から供給される、暖められた空気の流量を制御して、前記断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用燃料電池。
前記暖機システムは、前記断熱ボックス内の温度を計測可能な第１の温度センサを更に具備しており、
前記制御装置は前記第１の温度センサの検知した温度により、前記空調装置から供給される、暖められた空気の流量を制御して、前記断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする請求項３に記載の車両用燃料電池。
該燃料電池は、外気温度又はエンジンルーム温度を計測するための第２の温度センサを具備しており、
前記制御装置は、前記第２の温度センサの計測した外気温度又はエンジンルーム温度により、予め作成された前記燃料電池の保温の運転マップを使用して保温運転の時間を決定することを特徴とする請求項３又は４に記載の車両用燃料電池。
前記車両の空調装置のヒートポンプサイクルは、
気体の冷媒を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサの下流に設置されていて圧縮された冷媒を冷却する室内熱交換器と、
前記室内熱交換器の下流に設置されていて高圧の冷媒を膨張させる絞りと、
前記絞りの下流に設置されていて冷房運転時に車両室内に送る空気を冷却するエバポレータと、
を少なくとも具備しており、
前記暖機システムは、
前記室内熱交換器を通過する冷媒と熱交換して暖められる、空気の通過する空気ダクトを更に具備しており、
前記空気ダクトは前記断熱ボックスに接続されて暖められた空気を前記断熱ボックスに供給することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の車両用燃料電池。
前記断熱ボックスに接続する前記空気ダクトには、空気の流れを遮断又は切り替え可能な切り替えダンパが具備されることを特徴とする請求項６に記載の車両用燃料電池。
前記車両の空調装置のヒートポンプサイクルは、気体の冷媒を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサの下流に設置されていて圧縮された冷媒を冷却する室内熱交換器と、を少なくとも具備しており、
前記暖機システムは、前記室内熱交換器を通過する冷媒と熱交換して暖められる、空気の通過する空気ダクトを更に具備し、前記空気ダクトは、前記断熱ボックスに接続されて暖められた空気を前記断熱ボックスに供給しており、
前記断熱ボックスに接続する前記空気ダクトには、空気の流れを遮断又は切り替え可能な切り替えダンパが具備されており、
前記制御装置は、前記切り替えダンパを制御して、前記断熱ボックス内の温度を調整するように制御することを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の車両用燃料電池。
前記空気ダクトから車両室内へ空気を供給するダクトが、前記切り替えダンパの下流で分岐されることを特徴とする請求項７又は８に記載の車両用燃料電池。