JP4128370B2

JP4128370B2 - Fuel cell warm-up device

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Publication number: JP4128370B2
Application number: JP2002038958A
Authority: JP
Inventors: 毅昭島田; 芳雄縫谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: JP2003243009A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池を加温するための燃料電池用暖機装置に係り、特に燃料ガスを燃焼させて加熱した伝熱水（冷却水）を用いて燃料電池を加熱する燃料電池用暖機装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両の駆動源として、水素と酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池が注目されている。
燃料電池は低温環境下で反応の進行が遅く発電量が少ないため、低温環境下の燃料電池を一定温度まで加熱する必要があり、燃料電池を加熱するために燃料電池用暖機装置が提案されている。この種の燃料電池用暖機装置としては、発電時の燃料電池を冷却する目的で燃料電池を循環させる冷却水を加熱して、この冷却水により燃料電池を加熱する方式のものが提案されている。
【０００３】
例えば、特開２０００−１６４２３３号公報に示されているように、冷却水（不凍液）の循環流路中に燃焼器を設け、この燃料器に導入された燃料ガスを燃焼させて冷却水を加熱するとともに、この燃焼させた燃焼ガスを燃料ガス供給経路または酸化剤ガス供給経路に供給することにより、燃料電池を加熱するものがある。
また、特開２０００−２９４２６３号公報に示されているように、燃料電池に供給する水素の一部を燃焼器内に導入して燃焼させ、その熱で加熱した冷却水により、燃料電池を加熱するものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低温下においては、上述したように、燃料電池の反応の進行が遅く、燃料電池に供給された反応ガス（水素ガス、酸化剤ガス）の大部分が未反応である。上述した従来の技術においては、加熱により反応が充分に進行するようになるまでに、燃料電池に供給される反応ガスの大部分が未反応のまま排出されてしまい、無駄となってしまうという問題があった。
【０００５】
また、特開２０００−２９４２６３号公報に示されている燃料電池用暖機装置では、燃料電池に供給する水素の一部を燃焼させて加熱するため、加熱時間を短縮できるものの、未反応の水素については考慮されておらず、特に低温時には多くの未利用水素が排出されるため、エネルギー効率が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、低温下の燃料電池を短時間で加熱できるとともに、エネルギー的に負担を低減できる燃料電池用暖機装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、水素および酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池（例えば、後述する実施の形態における燃料電池２）を暖機する燃料電池用暖機装置（例えば、後述する実施の形態における燃料電池用暖機装置１）であって、前記燃料電池と熱交換する伝熱流体（例えば、後述する実施の形態における伝熱水３）の流体流路（例えば、後述する実施の形態における循環流路４）に、水素ガスを燃焼させる触媒燃焼器（例えば、後述する実施の形態における触媒燃焼器５）を設けて、前記伝熱流体を水素ガス燃焼熱で加熱可能とし、前記触媒燃焼器に水素ガスを導入する水素ガス導入路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス導入路６）を設け、この水素ガス導入路が前記燃料電池の水素ガス排出経路（例えば、後述する実施の形態における水素ガス排出経路７）に接続され、該水素ガス排出経路中の水素ガスを前記触媒燃焼器内に導入可能とし、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給経路（例えば、実施の形態における水素ガス供給経路８）が前記水素ガス導入路に接続され、前記水素ガス供給経路中の水素ガスを前記触媒燃焼器内に導入可能とし、前記触媒燃焼器に導入される水素ガスの流量を制御する流量制御手段（例えば、後述する実施の形態における流量制御弁９）を備え、前記流量制御手段は、前記水素ガス排出経路中の反応残水素量が目標水素量よりも少ない場合に、前記水素ガス排出経路中の水素ガスに加えて前記水素ガス供給経路中の水素ガスを前記触媒燃焼器に導入可能としたことを特徴とする燃料電池用暖機装置である。
【０００８】
この発明によれば、低温下で燃料電池を作動させる際に、燃料電池に供給される水素ガスは、その大部分が発電に寄与せずに燃料電池から未反応のまま水素排出経路中に排出されるが、この排出された水素ガスが前記水素ガス導入路を介して触媒燃料器内に導入され、該触媒燃焼器内で燃焼する。前記触媒燃焼器は前記伝熱流体経路を加熱可能に設けられているため、水素ガスの燃焼熱で伝熱流体を加熱することができ、この伝熱流体により燃料電池が暖機される。燃料電池が暖機されるに従って燃料電池での水素の反応量が増大し、また燃料電池での電気化学反応は発熱を伴うため、燃料電池の温度上昇はさらに促進される。
【０００９】
一方、反応する水素量が増大するにつれて、未反応のまま燃料電池から排出される水素量が減少して燃焼熱量も減少するため伝熱流体に伝導される熱量も減少していく。従って、燃料電池が充分に暖機されたときには、未反応のまま排出される水素の流量は略一定に収束し、これにより伝熱流体を加熱する熱量も略一定に保持される。燃料電池は発電によりさらに発熱するため、燃料電池の暖機に使用していた伝熱流体を、そのまま冷却媒体として使用することができる。このように、燃料電池から排出された未反応の水素ガスにより燃料電池の暖機を行うため、水素ガスを無駄に排出することがなく、エネルギー効率を高めることができる。
【００１０】
また、前記燃料電池に水素ガスを供給する水素ガス供給経路（例えば、実施の形態における水素ガス供給経路８）が前記水素ガス導入路に接続され、前記水素ガス供給経路中の水素ガスを前記触媒燃焼器内に導入可能としたことを特徴とする燃料電池用暖機装置である。
【００１１】
この発明によれば、前記燃料電池排出経路中の水素ガスに加え、水素ガス供給経路中の水素も前記触媒燃焼器に導入し、燃焼させることができるため、伝熱流体をより短時間で加熱することができ、低温下の燃料電池をより短時間で暖機することができる。
【００１２】
また、前記触媒燃焼器に導入される水素ガスの流量を制御する流量制御手段（例えば、後述する実施の形態における流量制御弁９）を備えたことを特徴とする燃料電池用暖機装置である。
【００１３】
この発明によれば、前記流量制御手段を介して燃焼に必要な水素ガスの流量を制御することができるため、効率的に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００１４】
また、前記目標水素量が、前記伝熱流体の温度（例えば、後述する実施の形態における伝熱水温度Ｔ_FCIN、Ｔ_FCOUT）に応じて設定されることを特徴とする燃料電池用暖機装置である。
【００１５】
この発明によれば、前記伝熱流体の温度に応じて、前記制御手段により触媒燃焼器に導入される水素ガスの流量が調整され、伝熱流体の温度を前記燃料電池を暖機するために最適な温度となるように、伝熱流体を加熱することができるため、さらに効率的に燃料電池を暖機することができる。
【００１６】
また、前記触媒燃焼器内で燃焼される燃焼水素量が前記目標水素量となるように、前記制御手段を制御することを特徴とする燃料電池用暖機装置である。
【００１７】
この発明によれば、燃料電池の温度上昇により反応が進行して排出される水素の量が減少しても、前記制御手段により触媒燃焼器内に確実に所定の量の水素が導入されるため、燃料電池が所定の温度になるまで暖機を確実に行うことができる。また、これにより、水素ガス供給経路から触媒燃焼器内に導入される水素の量を必要最小限に抑えることができ、その分残りの水素を燃料電池の発電に寄与させることができるため、エネルギー効率を高めることができる。
【００１８】
また、前記目標水素量が、前記燃料電池の温度に基づいて設定されることを特徴とする燃料電池用暖機装置である。
この発明によれば、燃料電池の温度により暖機に必要となる燃料水素量が異なる点を考慮して、前記燃焼水素量の所定の値が設定されるので、より効率的に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態における燃料電池用暖機装置を図面と共に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池用暖機装置１を示す概略構成図である。前記燃料電池用暖機装置１は車両に搭載され、この車両に駆動源として搭載された燃料電池２を暖機するためのものである。本実施の形態における燃料電池２は、固体高分子型（ＰＥＭ型）の燃料電池である。前記燃料電池２は、アノード電極とカソード電極（いずれも図示せず）とを備えており、アノード電極に燃料ガス（例えば水素）が供給されるとともに、カソード電極に酸化剤ガス（例えば酸素を含む空気）が供給され、水素および酸素の電気化学反応によって発電する。
【００２０】
前記燃料電池２への水素の供給源として水素タンク１０が設けられている。この水素タンク１０は圧縮した水素ガスを貯蔵し、水素ガス供給経路８および図示しない減圧弁を介して前記燃料電池２に接続され、燃料電池２のアノード電極に水素ガスを供給する。また、前記燃料電池２には前記アノード電極を通過した水素ガスを排出するための水素ガス排出経路７が接続されている。なお、前記燃料電池２には、カソード電極への酸素の供給源や供給経路、またカソード電極からの酸素の排出経路が接続されているが、これらについては図示と説明を省略する。
【００２１】
前記燃料電池２には、伝熱流体としての伝熱水３が流通する循環流路４が接続され、該循環流路４を介して前記燃料電池２に伝熱水３が流入し、かつ流出する。前記循環流路４上には切替バルブＶ１〜Ｖ５が設けられ、これらの切替バルブＶ１〜Ｖ５により、伝熱水３の流通経路が低温時水流路４ａ、４ｂまたは通常時水流路４ａ’、４ｂ’に切り替えられる。これらの切替バルブＶ１〜Ｖ５には、制御装置（ＥＣＵ、図２参照）１１が接続され、該制御装置１１からの制御信号により切替バルブＶ１〜Ｖ５の切替制御を行っている。前記循環流路４（４ａ、４ａ’、４ｂ’、４ｂ）については詳細を後述する。
【００２２】
そして、燃料電池用暖機装置１には、水素ガスを燃焼させる触媒燃焼器５が設けられている。前記触媒燃焼器５は、セラミックハニカム上に酸化触媒（例えば白金）を担持したものである。前記触媒燃焼器５に水素を導入する水素ガス導入路６は、前記燃料電池２の水素ガス排出経路７に接続しているとともに、前記水素ガス供給経路８の分岐路８ａに流量制御弁９を介して接続している。この流量制御弁９は前記制御装置１１に接続され、前記制御装置１１からの制御信号により前記水素ガス供給経路８から前記水素ガス導入路６に流入する水素の流量を制御できるようにしている。また、前記水素ガス排出経路７には、流量測定器（ＦＩ）１４が設けられ、該流量測定器１４により前記水素ガス排出経路７中の水素流量を測定できるようにしている。この流量測定器１４は、前記制御装置１１に接続しており、測定した水素流量を前記制御装置１１に送信可能としている。
【００２３】
前記水素導入路６には混合部１２が設けられており、該混合部１２には空気を導入するための空気導入路１３が接続されている。この混合部１２にて水素が空気と混合されることで触媒燃焼器５に供給される水素の濃度が調整される。これにより、触媒燃焼器５に急激に多量の水素が供給され、水素が充分燃焼しないまま触媒燃焼器５を通過し（吹き抜け）たりすることを防止できる。前記触媒燃焼器５は前段側に燃焼部（図示せず）を有し、この燃焼部にて水素を燃焼させる。そして、前記触媒燃焼器５の後段側には熱交換部１５ａ、１５ｂを有している。これについては詳細を後述する。混合ガス中の水素は前記触媒燃焼器５内で燃焼した後、排出路１８から外部に排出される。
【００２４】
以下、伝熱水３の流路である循環流路４について説明する。前記循環流路４は燃料電池２が低温始動時に伝熱水３が流入する低温時水流路４ａと、熱利用機器であるヒータ１６へ伝熱水３が流入するための低温時水流路４ｂと、燃料電池２が通常運転時に伝熱水３が流入する通常時水流路４ａ’および通常時水流路４ｂ’から構成される。
【００２５】
伝熱水３が燃料電池２から排出された直後の循環流路４には温度センサＴ１が接続されており、該温度センサＴ１により前記燃料電池２から排出されて循環流路４を流れる伝熱水３の温度Ｔ_FCOUTを測定できるようにしている。前記循環流路４は、切替バルブＶ１によって触媒燃焼器５の燃焼部１５ｂを流通する低温時水流路４ｂと、該燃焼部１５ｂを迂回する通常時水流路４ｂ’のいずれかに切り替えられ、燃料電池２から排出された伝熱水３はこのいずれかの流路に流入する。低温時水流路４ｂおよび通常時水流路４ｂ’はその後切替バルブＶ２のところで合流する。
【００２６】
そして、切替バルブＶ２を通過した伝熱水３は熱利用機器である車両の室内空調用のヒータ１６と熱交換する構成となっている。ヒータ１６と熱交換した後の伝熱水３は、切替バルブＶ３によって切替可能に構成された、ラジエータ１７を迂回する流路、またはラジエータ１７と熱交換する流路のいずれかに流入し、該ラジエータ１７を通過した伝熱水３は冷却される。その後これらの流路は切替バルブＶ４で合流し、該切替バルブＶ４によって触媒燃焼器の熱交換部１５ａに通流する低温時水流路４ａおよび、該熱交換部１５ａを迂回する通常時水流路４ａ’とに切り替えられる。低温時水流路４ａおよび通常時水流路４ａ’は切替バルブＶ５で合流し、燃料電池２へ戻る還流路となっている。切替バルブＶ５と燃料電池２との間には温度センサＴ２が接続されており、該温度センサＴ２により前記燃料電池２に供給される伝熱水３の温度Ｔ_FCINを測定できるようにしている。前記温度センサＴ１と前記温度センサＴ２とはそれぞれ制御装置１１に接続され、これらのセンサＴ１、Ｔ２で測定した温度Ｔ_FCOUT、Ｔ_FCINを送信できるようにしている。
【００２７】
図２は、燃料電池用暖機装置１および３０が備える制御装置１１の制御処理を示す説明図である。前記制御装置１１は、上述したように、水素の流量測定器１４、温度センサＴ１、Ｔ２、切替バルブＶ１〜Ｖ５で測定した水素ガス排出経路７中の反応残水素量（電気化学反応後の水素ガス中に残存する水素量）、燃料電池２に供給される伝熱水の温度Ｔ_FCIN、排出される伝熱水の温度Ｔ_FCOUTがそれぞれ入力される。制御装置１１は、入力されたこれらの測定値に基づいて切替バルブＶ１〜Ｖ５を切り換えて制御して伝熱水３の流路を制御するとともに、流量制御弁９を制御して前記水素ガス供給経路８から供給される水素の流量を調整する。このようにして、前記制御装置１１は、触媒燃焼器５に供給され、燃焼する水素の流量が所定の値となるように制御を行う（詳細は後述する）。
【００２８】
図３は図１の触媒燃焼器に流入する水素流量と燃料電池温度との関係を示すグラフである。図４は制御装置の暖機処理工程図である。これらの図を元に燃料電池用暖機装置１の始動制御フローについて説明する。
前述したように燃料電池２が低温状態では発電効率が悪く、供給した水素のうちほとんどが発電に寄与せず、燃料電池２から水素ガス排出経路７に反応残水素として排出される。本実施の形態においては、前記水素ガス排出経路７を水素ガス導入路６に接続しているため、前記反応残水素を触媒燃焼器５に導入することができる。
【００２９】
また、上述したように、前記水素ガス導入路６には、水素ガス排出経路７の他に、水素ガス供給経路８から分岐した分岐路８ａが流量制御弁９を介して接続され、水素ガス供給経路８の水素（供給水素の一部）も導入可能となっている。分岐路８ａに設けられた流量制御弁９は、制御装置１１の信号に応じてその開度が調整され、これにより導入路６に導入される水素流量が制御される。このとき、この供給水素の流量は、前記触媒燃焼器５に導入される水素の量が所定の値となるように前記制御装置１１により制御される。この所定の量は燃料電池２の始動時に排出される水素量（Ｈｍａｘ、図３参照）に設定している。
【００３０】
前記制御装置１１の暖機処理工程について図４を用いて説明する。まず、燃料電池２の始動開始信号が送られるとステップＳ１００に示したように、燃料電池２へ反応ガス（酸化剤と水素）を供給する。その反応ガスの供給を受けて燃料電池２が発電を開始する。ステップＳ１０２に示したように、前記制御装置１１により切替バルブＶ１〜Ｖ５を切替制御して、伝熱水３の流通経路が暖機用冷媒流路（低温時水流路４ａ、４ｂ、ラジエータ１７を迂回する流路）に変更される。そして、ステップＳ１０４に示したように冷却水３の温度Ｔ１およびＴ２を冷媒温度として検知し、ステップＳ１０６に示したように前記冷媒温度が所定の温度（例えば７０℃）よりも低いかどうかを判定する。冷媒温度が所定の温度よりも高い場合（判定結果がＮＯの場合）には、燃料電池２の温度が十分上昇したと判断して、暖機処理を終了する。なお、このとき、冷却水３の流路は通常時水流路（４ａ’、４ｂ’、ラジエータ１７と熱交換する流路）に切り替えられる。
【００３１】
冷媒温度が所定の温度よりも低い場合（判定結果がＹＥＳの場合）には、ステップＳ１０８に示したように、反応残水素量（残水素量）が一定量Ｈｍａｘより小さいかどうかを判定する。残水素量がＨｍａｘと等しいかそれより多い場合（判定結果がＮＯの場合）には、触媒燃焼器５には十分な水素が供給されるので、ステップＳ１１２に示したように流量制御弁９を「閉」にして、ステップＳ１１４の処理に進む。
【００３２】
残水素量がＨｍａｘよりも少ない場合（判定結果がＮＯの場合）には、ステップＳ１１０に示したように、流量制御弁９を「開」にして、前記残水素に加えて分岐路８ａの水素（供給水素の一部）を前記触媒燃焼器５に導入する。このとき、流量制御弁９は前記制御装置１１により、残水素と供給水素の合計がＨｍａｘとなるように制御されている。その後、ステップＳ１１４の処理に進む。
ステップＳ１１４では、ステップＳ１０６と同様に、冷媒温度が所定温度より小さいかどうかを判定する。判定結果がＹＥＳの場合には、ステップＳ１０８の処理に戻り上述した一連の処理を行う。判定結果がＮＯの場合には、暖機処理を終了する。
なお、本実施の形態において燃焼器５へ導入する酸化剤量についての制御については触れていないが、上述した水素ガス流路の場合と同様に、酸化剤ガス流路に流量制御弁や流量測定器を設け、これらをＥＣＵに接続することで、燃焼器５へ導入する酸化剤量を制御することができる。酸化剤量を制御するにあたっては、一定の量の水素量を燃焼器５へ導入するので、その水素量に対応する一定量の酸化剤を導入させるのが望ましい。
【００３３】
上述したように、低温の場合は燃料電池２の発電効率が悪いので、燃料電池２から排出される水素量（残水素量）は、暖機開始時の方が暖機完了後よりも多い。したがって、暖機開始時においては、残水素量が十分にあるため、触媒燃焼器５の燃焼は残水素のみで行う。
このように暖機処理を行うと、燃料電池２は前記触媒燃焼器５で加熱された伝熱水３に暖機されるとともに、発電によって発熱するため、燃料電池の温度は速やかに上昇していく。
【００３４】
一方、燃料電池２の温度上昇に伴って、燃料電池２の発電に寄与する水素が増えるので、図４のように反応残水素量が減少していく。しかし、上述したように、残水素が減少した分に応じて供給水素の一部が供給され、触媒燃焼器５には一定量Ｈｍａｘが供給されるため、燃料電池２が所定の温度になるまで暖機を確実に行うことができる。
【００３５】
上述のようにしたため、低温下で燃料電池２を作動させる際に、燃料電池２に供給される水素ガスは、その大部分が発電に寄与せずに燃料電池２から未反応のまま水素ガス排出経路７中に排出されるが、この排出された水素ガスが前記水素ガス導入路６を介して触媒燃焼器５に導入され、該触媒燃焼器５内で燃焼する。前記触媒燃焼器５は前記循環流路４上に設けられているため、水素ガスの燃焼熱で伝熱水３を加熱することができ、この伝熱水３により燃料電池２が暖機される。また、燃料電池２に供給された未反応の水素ガスにより燃料電池２の暖機を行うため、水素ガスを無駄に排出することがなく、エネルギー効率を高めることができる。
【００３６】
次に、第２の実施の形態の燃料電池用暖機装置３０について説明する。なお、本実施の形態において前の実施の形態の部材に対応する部材については、同一の符号を付して適宜その説明を省略する。図５は本発明の第２の実施の形態における燃料電池用暖機装置３０を示す概略説明図である。図６は図５の水素吸蔵タンク（ＭＨタンク）３１を示す拡大図である。
【００３７】
本実施の形態においては、燃料電池２への水素供給源として、水素吸蔵合金を収納した水素吸蔵タンク（ＭＨタンク）を用いている。ここで、水素吸蔵合金は貯蔵された水素を放出する際に吸熱反応を伴い、所定の温度未満になると水素放出平衡圧力が放出先の圧力よりも低くなってしまい、水素を放出できなくなってしまう。そのため、前記水素吸蔵タンク３１は、内部に伝熱水３３が流通する循環経路３２により貫通され、該循環経路３２中の伝熱水３３により水素吸蔵合金が加熱されるようになっている。前記循環経路３２は、前記触媒燃焼器５内の熱交換器１５内を貫通し、触媒燃焼器５内の熱交換部１５ｃで水素の燃焼熱により加熱される。これにより、燃料電池２を暖機するのと並行して、水素吸蔵タンク３１が加熱され、水素吸蔵タンク３１が貯蔵している水素をより効果的に燃料電池２や触媒燃焼器５に供給することができるため、燃料電池２の始動を早めることができる。
図７および図８を元に燃料電池用暖機装置３０の始動制御フローについて説明する。なお、第１の実施の形態と同様の部分に関しては説明を省略する。
【００３８】
第１の実施例と異なるのは、ステップＳ１２０に示したように、燃焼器５へ導入する目標水素量を一定の量Ｈｍａｘではなく燃料電池２の温度に基づいて変化させる点である。ここで燃料電池２の温度は温度センサＴ１およびＴ２から予測する。前記制御装置１１には、図８のＭＡＰ１に示したように、燃料電池２の温度に応じた目標水素量のデータが格納されており、これに基づいて目標水素量が算出される。そして、ステップＳ１２２に示したように、残水素量が目標水素量よりも少ないかどうかを判定する。残水素量が目標水素量よりも少ない場合（判定結果がＹＥＳの場合）には、ステップＳ１２４に示したように、残水素と供給水素の合計が目標水素量となるように流量制御弁９の開度を調整して、上述したステップＳ１１４の処理に進む。残水素量が目標水素量よりも多い場合（判定結果がＮＯの場合）には、上述したステップＳ１１２の処理を経て、ステップＳ１１４の処理に進む。そして、第１の実施の形態と同様に処理を行う。
尚、本実施の形態においても、上述した前実施の形態の場合と同様に、燃焼器５へ導入する酸化剤量を制御することができる。本実施の形態においては、燃焼器５へ導入させる流量が燃料電池２の温度によって変わるので、それに応じて燃焼器５へ導入する酸化剤量もその導入される燃料量に応じて変えることが望ましい。例えば目標水素量が減少した場合には燃焼器へ導入する酸化剤量も減少させるように制御する。
【００３９】
本実施の形態においては、前記制御装置１１により、前記触媒燃焼器５内で燃焼される燃焼水素量の所定の値が、前記燃料電池２の温度に基づいて設定される。図７は図５の触媒燃焼器に流入する水素流量と燃料電池温度との関係を示すグラフであり、図８のＭＡＰ１の詳細を示したものである。このように、燃料電池２の温度により暖機に必要となる燃料水素量が異なる点を考慮して、前記燃焼水素量の所定の値を設定したため、より効率的に燃料電池２の暖機を行うことができる。
【００４０】
以上の実施の形態においては、伝熱流体として、伝熱水を用いた場合について説明したが、伝熱水は純水または不凍液などの液体であってもよく、さらにはガスであってもよい。
【００４１】
また、実施の形態においては、未反応の水素と水素供給経路中の水素とを触媒燃焼器に供給したが、水素パージを行う場合には、このパージした水素を触媒燃焼器に供給してもよい。
【００４２】
また、未反応の水素のみで燃料電池２の暖機をしてもよい。この場合には、燃料電池２が充分に暖機されたときには、未反応のまま排出される水素の流量は略一定に収束し、これにより伝熱水を加熱する熱量も略一定に保持される。燃料電池２は発電によりさらに発熱するため、燃料電池２の暖機に使用していた伝熱水を、そのまま冷却媒体として使用することができる。他にも発明の要旨を逸脱しない範囲での変更を行ってもよいことはもちろんである。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載した発明によれば、燃料電池に供給された未反応の水素ガスにより燃料電池の暖機を行うため、水素ガスを無駄に排出することがなく、エネルギー効率を高めることができる。
【００４４】
また、低温下の燃料電池をより短時間で暖機することができる。
また、燃料電池の温度状態に応じて燃焼に必要な水素ガスの流量を制御することができるため、効率的に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００４５】
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池が所定の温度になるまで暖機を確実に行うことができる。また、エネルギー効率を高めることができる。
請求項３に記載した発明によれば、前記燃料電池を暖機する伝熱流体の温度を、より短時間で制御することができるため、さらに効率的に暖機することができる。
【００４６】
請求項４に記載した発明によれば、燃料電池の温度により暖機に必要となる燃料水素量が異なる点を考慮して、前記燃焼水素量の所定の値が設定されるので、より効率的に燃料電池の暖機を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池用暖機装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の燃料電池用暖機装置が備える制御装置（ＥＣＵ）の制御処理を示す説明図である。
【図３】図１の触媒燃焼器に流入する水素流量と燃料電池温度との関係を示すグラフである。
【図４】図１の燃料電池用暖機装置が備える制御装置の暖機処理工程図である。
【図５】図５は本発明の第２の実施の形態における燃料電池用暖機装置を示す概略説明図である。
【図６】図５の水素吸蔵タンク（ＭＨタンク）を示す拡大図である。
【図７】図５の触媒燃焼器に流入する水素流量と燃料電池温度との関係を示すグラフである。
【図８】図５の燃料電池用暖機装置が備える制御装置の工程図である。
【符号の説明】
１燃料電池用暖機装置
２燃料電池
３伝熱水（冷却水）
４循環流路
５触媒燃焼器
６水素ガス導入路
７水素ガス排出経路
８水素ガス供給経路
９流量制御弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell warm-up device for heating a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and in particular, using heat transfer water (cooling water) heated by burning fuel gas. The present invention relates to a warm-up device for a fuel cell that heats the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cells that generate electricity by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen have attracted attention as driving sources for vehicles.
Since fuel cells react slowly and generate less power in a low temperature environment, it is necessary to heat the fuel cell in a low temperature environment to a certain temperature, and a fuel cell warm-up device has been proposed to heat the fuel cell. ing. As this type of fuel cell warm-up device, there has been proposed a system in which cooling water circulating through the fuel cell is heated for the purpose of cooling the fuel cell during power generation, and the fuel cell is heated by this cooling water. Yes.
[0003]
For example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-164233, a combustor is provided in a circulating flow path of cooling water (antifreeze), and the cooling water is heated by burning the fuel gas introduced into the fuel apparatus. In addition, there are some which heat the fuel cell by supplying the burned combustion gas to the fuel gas supply path or the oxidant gas supply path.
Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-294263, a part of hydrogen supplied to the fuel cell is introduced into the combustor and burned, and the fuel cell is heated by the cooling water heated by the heat. There is something to do.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, at a low temperature, as described above, the progress of the reaction of the fuel cell is slow, and most of the reaction gas (hydrogen gas, oxidant gas) supplied to the fuel cell is unreacted. In the above-described conventional technology, a problem that most of the reaction gas supplied to the fuel cell is discharged unreacted and is wasted before the reaction sufficiently proceeds by heating. was there.
[0005]
Further, in the fuel cell warm-up device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-294263, a part of hydrogen supplied to the fuel cell is burned and heated, so that the heating time can be shortened, but unreacted hydrogen Is not taken into account, and a large amount of unused hydrogen is discharged particularly at low temperatures, resulting in a problem of reduced energy efficiency.
[0006]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a warm-up device for a fuel cell that can heat a fuel cell at a low temperature in a short time and can reduce the burden on energy. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is a fuel cell warming device for warming up a fuel cell (for example, a fuel cell 2 in an embodiment to be described later) that generates electric power by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. A fluid flow of a heat transfer fluid (for example, heat transfer water 3 in an embodiment to be described later) that is a mechanical device (for example, a fuel cell warm-up device 1 in an embodiment to be described later) A catalyst combustor (for example, a catalytic combustor 5 in an embodiment described later) for combusting hydrogen gas is provided in a passage (for example, a circulation flow path 4 in an embodiment described later), and the heat transfer fluid is supplied with hydrogen gas. A hydrogen gas introduction path (for example, a hydrogen gas introduction path 6 in an embodiment described later) that can be heated by combustion heat and introduces hydrogen gas into the catalytic combustor is provided, and this hydrogen gas introduction path is provided in the fuel cell. Containing gas discharge path (e.g., hydrogen gas discharge passage 7 in the embodiment described below) is connected to the hydrogen gas hydrogen gas discharging path of a can be introduced into the catalyst combustorA hydrogen gas supply path (for example, hydrogen gas supply path 8 in the embodiment) for supplying hydrogen gas to the fuel cell is connected to the hydrogen gas introduction path, and the catalytic combustion of the hydrogen gas in the hydrogen gas supply path is performed A flow rate control means (for example, a flow rate control valve 9 in an embodiment to be described later) for controlling the flow rate of hydrogen gas introduced into the catalytic combustor, the flow rate control means being capable of being introduced into the combustor. When the amount of residual hydrogen in the gas discharge path is smaller than the target hydrogen quantity, the hydrogen gas in the hydrogen gas supply path can be introduced into the catalytic combustor in addition to the hydrogen gas in the hydrogen gas discharge path.This is a warm-up device for a fuel cell.
[0008]
According to the present invention, when the fuel cell is operated at a low temperature, most of the hydrogen gas supplied to the fuel cell is discharged from the fuel cell into the hydrogen discharge path while remaining unreacted without contributing to power generation. However, the discharged hydrogen gas is introduced into the catalytic fuel device through the hydrogen gas introduction path and burned in the catalytic combustor. Since the catalyst combustor is provided so as to heat the heat transfer fluid path, the heat transfer fluid can be heated by the combustion heat of hydrogen gas, and the fuel cell is warmed up by the heat transfer fluid. As the fuel cell is warmed up, the amount of hydrogen reaction in the fuel cell increases, and the electrochemical reaction in the fuel cell is accompanied by heat generation, so that the temperature rise of the fuel cell is further promoted.
[0009]
On the other hand, as the amount of reacting hydrogen increases, the amount of hydrogen discharged from the fuel cell in an unreacted state decreases and the amount of combustion heat also decreases, so the amount of heat conducted to the heat transfer fluid also decreases. Therefore, when the fuel cell is sufficiently warmed up, the flow rate of hydrogen discharged without being reacted converges to a substantially constant value, whereby the heat amount for heating the heat transfer fluid is also kept substantially constant. Since the fuel cell further generates heat by power generation, the heat transfer fluid used for warming up the fuel cell can be used as a cooling medium as it is. Thus, since the fuel cell is warmed up by the unreacted hydrogen gas discharged from the fuel cell, the hydrogen gas is not discharged wastefully and energy efficiency can be improved.
[0010]
  AlsoA hydrogen gas supply path (for example, hydrogen gas supply path 8 in the embodiment) for supplying hydrogen gas to the fuel cell is connected to the hydrogen gas introduction path, and the catalytic combustion of the hydrogen gas in the hydrogen gas supply path is performed A warm-up device for a fuel cell, characterized in that it can be introduced into a vessel.
[0011]
According to this invention, in addition to the hydrogen gas in the fuel cell discharge path, the hydrogen in the hydrogen gas supply path can also be introduced into the catalytic combustor and burned, so that the heat transfer fluid can be heated in a shorter time. The fuel cell at a low temperature can be warmed up in a shorter time.
[0012]
  AlsoA fuel cell warm-up device comprising flow rate control means (for example, a flow rate control valve 9 in an embodiment described later) for controlling the flow rate of hydrogen gas introduced into the catalytic combustor.
[0013]
According to the present invention, since the flow rate of hydrogen gas necessary for combustion can be controlled via the flow rate control means, the fuel cell can be efficiently warmed up.
[0014]
  The target hydrogen amount isTemperature of the heat transfer fluid (for example, heat transfer water temperature T in an embodiment described later)_FCIN, T_FCOUT)In response to theSetThis is a fuel cell warm-up device.
[0015]
According to this invention, the flow rate of the hydrogen gas introduced into the catalytic combustor is adjusted by the control means in accordance with the temperature of the heat transfer fluid, so that the temperature of the heat transfer fluid is warmed up by the fuel cell. Since the heat transfer fluid can be heated so as to achieve an optimum temperature, the fuel cell can be warmed up more efficiently.
[0016]
  AlsoThe amount of combustion hydrogen burned in the catalytic combustor isThe target hydrogen amountThe warm-up device for a fuel cell is characterized by controlling the control means so that
[0017]
According to the present invention, even if the amount of hydrogen discharged as the reaction proceeds as the temperature of the fuel cell rises, a predetermined amount of hydrogen is reliably introduced into the catalytic combustor by the control means. The fuel cell can be reliably warmed up to a predetermined temperature. In addition, as a result, the amount of hydrogen introduced into the catalytic combustor from the hydrogen gas supply path can be minimized, and the remaining hydrogen can contribute to the power generation of the fuel cell. Efficiency can be increased.
[0018]
  The target hydrogen amount isA warm-up device for a fuel cell, which is set based on the temperature of the fuel cell.
  According to the present invention, the predetermined value of the combustion hydrogen amount is set in consideration of the fact that the amount of fuel hydrogen required for warm-up differs depending on the temperature of the fuel cell. Can do the machine.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a warm-up device for a fuel cell in an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell warm-up device 1 according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell warm-up device 1 is mounted on a vehicle and warms up the fuel cell 2 mounted on the vehicle as a drive source. The fuel cell 2 in the present embodiment is a solid polymer type (PEM type) fuel cell. The fuel cell 2 includes an anode electrode and a cathode electrode (both not shown), a fuel gas (for example, hydrogen) is supplied to the anode electrode, and an oxidant gas (for example, oxygen is included) in the cathode electrode. Air) is supplied, and electricity is generated by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen.
[0020]
A hydrogen tank 10 is provided as a hydrogen supply source to the fuel cell 2. The hydrogen tank 10 stores compressed hydrogen gas, is connected to the fuel cell 2 through a hydrogen gas supply path 8 and a pressure reducing valve (not shown), and supplies the hydrogen gas to the anode electrode of the fuel cell 2. The fuel cell 2 is connected to a hydrogen gas discharge path 7 for discharging hydrogen gas that has passed through the anode electrode. The fuel cell 2 is connected with an oxygen supply source and supply path to the cathode electrode, and an oxygen discharge path from the cathode electrode, and illustration and description thereof are omitted.
[0021]
A circulation channel 4 through which heat transfer water 3 as a heat transfer fluid flows is connected to the fuel cell 2, and the heat transfer water 3 flows into and out of the fuel cell 2 through the circulation channel 4. To do. Switching valves V1 to V5 are provided on the circulation flow path 4, and the flow paths of the heat transfer water 3 are low temperature water flow paths 4a and 4b or normal time water flow paths 4a ′ and 4b by these switching valves V1 to V5. Switch to '. A control device (ECU, see FIG. 2) 11 is connected to these switching valves V1 to V5, and switching control of the switching valves V1 to V5 is performed by a control signal from the control device 11. Details of the circulation channel 4 (4a, 4a ', 4b', 4b) will be described later.
[0022]
The fuel cell warm-up device 1 is provided with a catalytic combustor 5 for burning hydrogen gas. The catalytic combustor 5 carries an oxidation catalyst (for example, platinum) on a ceramic honeycomb. A hydrogen gas introduction path 6 for introducing hydrogen into the catalytic combustor 5 is connected to a hydrogen gas discharge path 7 of the fuel cell 2, and a flow control valve 9 is connected to a branch path 8 a of the hydrogen gas supply path 8. Connected through. The flow rate control valve 9 is connected to the control device 11 so that the flow rate of hydrogen flowing from the hydrogen gas supply path 8 into the hydrogen gas introduction path 6 can be controlled by a control signal from the control apparatus 11. The hydrogen gas discharge path 7 is provided with a flow rate measuring device (FI) 14 so that the flow rate measuring device 14 can measure the hydrogen flow rate in the hydrogen gas discharge path 7. The flow rate measuring device 14 is connected to the control device 11 so that the measured hydrogen flow rate can be transmitted to the control device 11.
[0023]
The hydrogen introduction path 6 is provided with a mixing section 12, and an air introduction path 13 for introducing air is connected to the mixing section 12. The concentration of hydrogen supplied to the catalytic combustor 5 is adjusted by mixing hydrogen with air in the mixing unit 12. As a result, a large amount of hydrogen is rapidly supplied to the catalytic combustor 5, and it is possible to prevent the hydrogen from passing through the catalytic combustor 5 without being sufficiently combusted. The catalytic combustor 5 has a combustion part (not shown) on the front stage side, and hydrogen is burned in this combustion part. The catalyst combustor 5 has heat exchange portions 15a and 15b on the rear stage side. Details will be described later. Hydrogen in the mixed gas is burned in the catalytic combustor 5 and then discharged to the outside from the discharge path 18.
[0024]
Hereinafter, the circulation flow path 4 which is a flow path of the heat transfer water 3 will be described. The circulation channel 4 includes a low-temperature water channel 4a through which the heat transfer water 3 flows when the fuel cell 2 is started at a low temperature, and a low-temperature water channel 4b through which the heat transfer water 3 flows into the heater 16 that is a heat utilization device. The fuel cell 2 includes a normal water channel 4a ′ and a normal water channel 4b ′ into which the heat transfer water 3 flows during normal operation.
[0025]
A temperature sensor T1 is connected to the circulation flow path 4 immediately after the heat transfer water 3 is discharged from the fuel cell 2, and the heat transfer is discharged from the fuel cell 2 by the temperature sensor T1 and flows through the circulation flow path 4. Water 3 temperature T_FCOUTCan be measured. The circulation channel 4 is switched by the switching valve V1 to either a low temperature water channel 4b that flows through the combustion unit 15b of the catalytic combustor 5 or a normal time water channel 4b ′ that bypasses the combustion unit 15b. The heat transfer water 3 discharged from the battery 2 flows into any one of the flow paths. The low temperature water flow path 4b and the normal time water flow path 4b 'are then merged at the switching valve V2.
[0026]
And the heat transfer water 3 which passed the switching valve V2 becomes a structure which heat-exchanges with the heater 16 for the indoor air conditioning of the vehicle which is a heat | fever utilization apparatus. The heat transfer water 3 after heat exchange with the heater 16 flows into either a flow path that bypasses the radiator 17 or a flow path that exchanges heat with the radiator 17 and is configured to be switchable by the switching valve V3. The heat transfer water 3 that has passed through the radiator 17 is cooled. Thereafter, these flow paths are merged by the switching valve V4, and the low-temperature water flow path 4a that flows to the heat exchange section 15a of the catalytic combustor by the switching valve V4 and the normal-time water flow path 4a that bypasses the heat exchange section 15a. Switch to '. The low-temperature water flow path 4 a and the normal-time water flow path 4 a ′ are joined together by a switching valve V <b> 5 and serve as a reflux path that returns to the fuel cell 2. A temperature sensor T2 is connected between the switching valve V5 and the fuel cell 2, and the temperature T of the heat transfer water 3 supplied to the fuel cell 2 by the temperature sensor T2._FCINCan be measured. The temperature sensor T1 and the temperature sensor T2 are respectively connected to the control device 11, and the temperature T measured by these sensors T1 and T2 is measured._FCOUT, T_FCINCan be sent.
[0027]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a control process of the control device 11 provided in the warm-up devices 1 and 30 for the fuel cell. As described above, the control device 11 determines the amount of residual hydrogen in the hydrogen gas discharge path 7 (hydrogen after electrochemical reaction) measured by the hydrogen flow rate measuring device 14, the temperature sensors T1 and T2, and the switching valves V1 to V5. The amount of hydrogen remaining in the gas), the temperature T of the heat transfer water supplied to the fuel cell 2_FCINThe temperature T of the discharged heat transfer water_FCOUTAre entered respectively. The control device 11 switches and controls the switching valves V1 to V5 based on these input measured values to control the flow path of the heat transfer water 3, and also controls the flow rate control valve 9 to supply the hydrogen gas. The flow rate of hydrogen supplied from the path 8 is adjusted. In this way, the control device 11 performs control so that the flow rate of hydrogen supplied to the catalytic combustor 5 and combusted becomes a predetermined value (details will be described later).
[0028]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow rate of hydrogen flowing into the catalytic combustor of FIG. 1 and the fuel cell temperature. FIG. 4 is a warm-up process diagram of the control device. The start control flow of the fuel cell warm-up device 1 will be described with reference to these drawings.
As described above, the power generation efficiency is poor when the fuel cell 2 is in a low temperature state, and most of the supplied hydrogen does not contribute to power generation and is discharged from the fuel cell 2 to the hydrogen gas discharge path 7 as reaction residual hydrogen. In the present embodiment, since the hydrogen gas discharge path 7 is connected to the hydrogen gas introduction path 6, the reaction residual hydrogen can be introduced into the catalytic combustor 5.
[0029]
As described above, in addition to the hydrogen gas discharge path 7, a branch path 8 a branched from the hydrogen gas supply path 8 is connected to the hydrogen gas introduction path 6 via the flow control valve 9 to supply the hydrogen gas. Hydrogen (a part of the supplied hydrogen) in the path 8 can also be introduced. The opening degree of the flow rate control valve 9 provided in the branch path 8a is adjusted in accordance with a signal from the control device 11, whereby the flow rate of hydrogen introduced into the introduction path 6 is controlled. At this time, the flow rate of the supplied hydrogen is controlled by the control device 11 so that the amount of hydrogen introduced into the catalytic combustor 5 becomes a predetermined value. This predetermined amount is set to the amount of hydrogen discharged when the fuel cell 2 is started (Hmax, see FIG. 3).
[0030]
The warming-up process of the said control apparatus 11 is demonstrated using FIG. First, when a start signal for starting the fuel cell 2 is sent, the reaction gas (oxidant and hydrogen) is supplied to the fuel cell 2 as shown in step S100. In response to the supply of the reaction gas, the fuel cell 2 starts power generation. As shown in step S102, the control device 11 switches and controls the switching valves V1 to V5, so that the flow path of the heat transfer water 3 becomes the warm-up refrigerant flow path (low-temperature water flow paths 4a, 4b, radiator 17). To the detour channel). Then, as shown in step S104, the temperatures T1 and T2 of the cooling water 3 are detected as the refrigerant temperature, and it is determined whether the refrigerant temperature is lower than a predetermined temperature (for example, 70 ° C.) as shown in step S106. To do. When the refrigerant temperature is higher than the predetermined temperature (when the determination result is NO), it is determined that the temperature of the fuel cell 2 has sufficiently increased, and the warm-up process is terminated. At this time, the flow path of the cooling water 3 is switched to a normal water flow path (4a ', 4b', a flow path that exchanges heat with the radiator 17).
[0031]
When the refrigerant temperature is lower than the predetermined temperature (when the determination result is YES), it is determined whether or not the reaction residual hydrogen amount (residual hydrogen amount) is smaller than a certain amount Hmax, as shown in step S108. When the amount of residual hydrogen is equal to or greater than Hmax (when the determination result is NO), sufficient hydrogen is supplied to the catalytic combustor 5, so that the flow rate control valve 9 is turned on as shown in step S112. Set to “closed” and proceed to step S114.
[0032]
When the remaining hydrogen amount is smaller than Hmax (when the determination result is NO), as shown in step S110, the flow control valve 9 is set to “open”, and in addition to the remaining hydrogen, the hydrogen in the branch path 8a. (Part of the supplied hydrogen) is introduced into the catalytic combustor 5. At this time, the flow control valve 9 is controlled by the control device 11 so that the sum of the remaining hydrogen and the supplied hydrogen becomes Hmax. Thereafter, the process proceeds to step S114.
In step S114, as in step S106, it is determined whether the refrigerant temperature is lower than a predetermined temperature. If the determination result is YES, the process returns to step S108 and the series of processes described above is performed. If the determination result is NO, the warm-up process is terminated.
Although control of the amount of oxidant introduced into the combustor 5 is not mentioned in the present embodiment, a flow rate control valve or a flow rate measurement is provided in the oxidant gas channel as in the case of the hydrogen gas channel described above. By providing a combustor and connecting them to the ECU, the amount of oxidant introduced into the combustor 5 can be controlled. In controlling the amount of oxidant, since a constant amount of hydrogen is introduced into the combustor 5, it is desirable to introduce a constant amount of oxidant corresponding to the amount of hydrogen.
[0033]
As described above, since the power generation efficiency of the fuel cell 2 is poor when the temperature is low, the amount of hydrogen discharged from the fuel cell 2 (residual hydrogen amount) is greater at the start of warm-up than after the completion of warm-up. Therefore, at the start of warm-up, the amount of residual hydrogen is sufficient, and the combustion of the catalytic combustor 5 is performed only with the residual hydrogen.
When the warm-up process is performed in this manner, the fuel cell 2 is warmed up by the heat transfer water 3 heated by the catalytic combustor 5 and generates heat by power generation, so that the temperature of the fuel cell rises quickly. Go.
[0034]
On the other hand, as the temperature of the fuel cell 2 increases, the amount of hydrogen that contributes to the power generation of the fuel cell 2 increases, so that the amount of residual hydrogen as shown in FIG. 4 decreases. However, as described above, a part of the supplied hydrogen is supplied in accordance with the amount of decrease in the residual hydrogen, and a constant amount Hmax is supplied to the catalytic combustor 5, so that the fuel cell 2 reaches a predetermined temperature. Warm-up can be performed reliably.
[0035]
As described above, when the fuel cell 2 is operated at a low temperature, most of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 2 does not contribute to power generation and remains unreacted from the fuel cell 2. The discharged hydrogen gas is introduced into the path 7, and the discharged hydrogen gas is introduced into the catalytic combustor 5 through the hydrogen gas introduction path 6 and burned in the catalytic combustor 5. Since the catalytic combustor 5 is provided on the circulation channel 4, the heat transfer water 3 can be heated by the combustion heat of hydrogen gas, and the fuel cell 2 is warmed up by the heat transfer water 3. . Further, since the fuel cell 2 is warmed up by the unreacted hydrogen gas supplied to the fuel cell 2, the hydrogen gas is not exhausted and energy efficiency can be improved.
[0036]
Next, the warm-up device 30 for the fuel cell according to the second embodiment will be described. In the present embodiment, members corresponding to those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate. FIG. 5 is a schematic explanatory view showing a fuel cell warm-up device 30 according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is an enlarged view showing the hydrogen storage tank (MH tank) 31 of FIG.
[0037]
In the present embodiment, a hydrogen storage tank (MH tank) containing a hydrogen storage alloy is used as a hydrogen supply source to the fuel cell 2. Here, the hydrogen storage alloy involves an endothermic reaction when releasing the stored hydrogen, and if the temperature becomes lower than a predetermined temperature, the hydrogen release equilibrium pressure becomes lower than the discharge destination pressure, and hydrogen cannot be released. . Therefore, the hydrogen storage tank 31 is penetrated by a circulation path 32 through which the heat transfer water 33 flows, and the hydrogen storage alloy is heated by the heat transfer water 33 in the circulation path 32. The circulation path 32 passes through the heat exchanger 15 in the catalytic combustor 5 and is heated by the heat of combustion of hydrogen in the heat exchanging portion 15 c in the catalytic combustor 5. Thereby, in parallel with warming up the fuel cell 2, the hydrogen storage tank 31 is heated, and the hydrogen stored in the hydrogen storage tank 31 is more effectively supplied to the fuel cell 2 and the catalytic combustor 5. Therefore, the start of the fuel cell 2 can be accelerated.
A start control flow of the fuel cell warm-up device 30 will be described with reference to FIGS. 7 and 8. Note that a description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted.
[0038]
The difference from the first embodiment is that, as shown in step S120, the target hydrogen amount introduced into the combustor 5 is changed based on the temperature of the fuel cell 2 instead of the constant amount Hmax. Here, the temperature of the fuel cell 2 is predicted from the temperature sensors T1 and T2. As shown by MAP1 in FIG. 8, the control device 11 stores data on the target hydrogen amount corresponding to the temperature of the fuel cell 2, and the target hydrogen amount is calculated based on this data. Then, as shown in step S122, it is determined whether the residual hydrogen amount is smaller than the target hydrogen amount. When the remaining hydrogen amount is smaller than the target hydrogen amount (when the determination result is YES), as shown in step S124, the flow control valve 9 is set so that the sum of the remaining hydrogen and the supplied hydrogen becomes the target hydrogen amount. The opening degree is adjusted, and the process proceeds to step S114 described above. When the remaining hydrogen amount is larger than the target hydrogen amount (when the determination result is NO), the process proceeds to the process of step S114 through the process of step S112 described above. Then, processing is performed in the same manner as in the first embodiment.
In the present embodiment as well, the amount of oxidant introduced into the combustor 5 can be controlled as in the case of the above-described previous embodiment. In the present embodiment, since the flow rate to be introduced into the combustor 5 varies depending on the temperature of the fuel cell 2, it is desirable that the amount of oxidant introduced into the combustor 5 is also varied according to the amount of fuel introduced. . For example, when the target hydrogen amount decreases, control is performed so that the amount of oxidant introduced into the combustor is also decreased.
[0039]
In the present embodiment, the control device 11 sets a predetermined value of the amount of combustion hydrogen burned in the catalytic combustor 5 based on the temperature of the fuel cell 2. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the flow rate of hydrogen flowing into the catalytic combustor of FIG. 5 and the fuel cell temperature, and shows the details of MAP1 of FIG. In this way, the fuel hydrogen amount required for warming up varies depending on the temperature of the fuel cell 2 and the predetermined value of the combustion hydrogen amount is set, so that the fuel cell 2 can be warmed up more efficiently. It can be carried out.
[0040]
In the above embodiment, the case where heat transfer water is used as the heat transfer fluid has been described. However, the heat transfer water may be liquid such as pure water or antifreeze liquid, and may be gas. .
[0041]
In the embodiment, unreacted hydrogen and hydrogen in the hydrogen supply path are supplied to the catalytic combustor. However, when purging hydrogen, the purged hydrogen may be supplied to the catalytic combustor. Good.
[0042]
Alternatively, the fuel cell 2 may be warmed up only with unreacted hydrogen. In this case, when the fuel cell 2 is sufficiently warmed up, the flow rate of unreacted hydrogen discharged converges to a substantially constant value, whereby the amount of heat for heating the heat transfer water is also kept substantially constant. . Since the fuel cell 2 further generates heat by power generation, the heat transfer water used for warming up the fuel cell 2 can be used as it is as a cooling medium. It goes without saying that other modifications may be made without departing from the scope of the invention.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the fuel cell is warmed up by the unreacted hydrogen gas supplied to the fuel cell. Efficiency can be increased.
[0044]
  AlsoThe fuel cell at a low temperature can be warmed up in a shorter time.
  AlsoSince the flow rate of hydrogen gas necessary for combustion can be controlled according to the temperature state of the fuel cell, the fuel cell can be efficiently warmed up.
[0045]
  Claim2According to the invention described inWarm-up can be reliably performed until the fuel cell reaches a predetermined temperature. Moreover, energy efficiency can be improved.
  Claim3According to the invention described inSince the temperature of the heat transfer fluid that warms up the fuel cell can be controlled in a shorter time, it is possible to warm up more efficiently.
[0046]
  Claim4According to the invention described in the above, since the predetermined value of the combustion hydrogen amount is set in consideration of the fact that the amount of fuel hydrogen required for warm-up differs depending on the temperature of the fuel cell, the fuel cell is more efficiently Can be warmed up.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a warm-up device for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
2 is an explanatory diagram showing a control process of a control device (ECU) included in the fuel cell warm-up device of FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the flow rate of hydrogen flowing into the catalytic combustor of FIG. 1 and the fuel cell temperature.
FIG. 4 is a warm-up process diagram of a control device provided in the fuel cell warm-up device of FIG. 1;
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram showing a warm-up device for a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
6 is an enlarged view showing the hydrogen storage tank (MH tank) of FIG.
7 is a graph showing the relationship between the flow rate of hydrogen flowing into the catalytic combustor of FIG. 5 and the fuel cell temperature.
FIG. 8 is a process diagram of a control device provided in the fuel cell warm-up device of FIG. 5;
[Explanation of symbols]
1 Warm-up device for fuel cells
2 Fuel cell
3 Heat transfer water (cooling water)
4 Circulation channel
5 catalytic combustor
6 Hydrogen gas introduction path
7 Hydrogen gas discharge route
8 Hydrogen gas supply route
9 Flow control valve

Claims

A warm-up device for a fuel cell that warms up a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen,
A catalyst combustor for burning hydrogen gas is provided in a fluid flow path of a heat transfer fluid that exchanges heat with the fuel cell, and the heat transfer fluid can be heated with hydrogen gas combustion heat,
A hydrogen gas introduction path for introducing hydrogen gas into the catalytic combustor is provided, and the hydrogen gas introduction path is connected to a hydrogen gas discharge path of the fuel cell, and the hydrogen gas in the hydrogen gas discharge path is moved into the catalyst combustor. Can be installed in
A hydrogen gas supply path for supplying hydrogen gas to the fuel cell is connected to the hydrogen gas introduction path, and the hydrogen gas in the hydrogen gas supply path can be introduced into the catalytic combustor,
Comprising flow rate control means for controlling the flow rate of hydrogen gas introduced into the catalytic combustor,
When the amount of residual hydrogen in the hydrogen gas discharge path is smaller than the target hydrogen amount, the flow rate control means adds the hydrogen gas in the hydrogen gas supply path to the hydrogen gas in the hydrogen gas discharge path. A warm-up device for a fuel cell , which can be introduced into a catalytic combustor .

2. The warm-up device for a fuel cell according to claim 1, wherein the flow rate control unit is controlled so that a combustion hydrogen amount burned in the catalytic combustor becomes the target hydrogen amount .

The warm-up device for a fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the target hydrogen amount is set based on a temperature of the heat transfer fluid.

3. The warm-up device for a fuel cell according to claim 1, wherein the target hydrogen amount is set based on a temperature of the fuel cell.