JP4178112B2 - 燃料電池システム及び燃料電池を凍結から保護する方法 - Google Patents
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Description
カソード反応:2H++2e-+(1/2)O2→H2O
電解質膜の性能を引き出し、燃料電池の発電効率を向上させるには、電解質膜の加湿状態を最適に保つ必要があるため、燃料電池に供給するガスは加湿される。加湿用の水には純水が用いられる。これは不純物が混入した水を燃料電池に供給すると、電解質膜に不純物が付着し、燃料電池の性能が低下するからである。
別の態様では、前記コントローラが、前記第1の保護装置を用いて前記燃料電池の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、前記第2の保護装置を用いて前記燃料電池の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、前記第1の保護装置、第2の保護装置のうち、必要とされるエネルギが少ない方を選択する。
また、別の態様では、前記コントローラが、前記第1の保護装置が備えるヒータに燃料を供給する貯蔵装置の燃料残量、前記第1の保護装置が備えるヒータに電気を供給するバッテリの充電状態、あるいは、外気の酸素濃度に応じて、前記第1の保護装置による保護を中止し、前記第2の保護装置による保護を開始する。
第3の実施形態の構成は第1の実施形態の構成と略同じである。第3の実施形態では保護装置の選択が燃料電池スタック1の温度が所定温度以下になったときに実行する。すなわち、燃料電池スタック1の温度が所定温度以下になるまで保護装置による保護処理は行わない。さらに、保護装置の選択は燃料電池スタック1の停止期間に基づいて行う。
Q=放熱量、Hx=熱伝導率、S=断熱ケース10の放熱面積
TEMPc=燃料電池温度、TEMPo=外気温度、Δt=時間間隔
熱伝導率Hxと放熱面積Sは断熱ケース10の形状、材質等の特性から算出できる。再起動時までの総放熱量は、例えば、時間間隔Δtを1分として、予測された外気温度TEMPoに基づき時間間隔Δtにおける放熱量を演算し、それを積算していくことにより計算できる。停止時から起動時までの外気温度TEMPoの変化は、図19に示した各時刻に対する外気温度の学習結果を用いて予測することができる。あるいは、外気温度TEMPoの変化は受信装置46によって外部から将来の天候、特に外気温度に関する信号を受信し、その信号に基づき予測するようにしても良い。停止時間tsが同じ長さであっても、外気温度TEMPoが低いほど保温に必要なエネルギは大きくなる。一方、停止期間中、外気温度が0℃以下に下がる時間がその一部であれば、外気温度が0℃以上の間保温は不要となり、停止時間全体では保温に必要なエネルギは小さくなる。
Claims (30)
- 燃料電池システムにおいて、
水の流路(35)と発電に必要なガスの流路(33、34)を有する燃料電池(1)と、
前記燃料電池(1)を保温することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第1の保護装置(5、10)と、
前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第2の保護装置(11、12)と、
次のように機能するコントローラ(50)、
前記燃料電池(1)が停止しているときの保護装置として、前記燃料電池(1)の停止期間が所定期間よりも短いときは前記第1の保護装置(5、10)を選択し、所定期間よりも長いときは前記第2の保護装置(11、12)を選択し、
前記燃料電池(1)が停止しているとき選択された保護装置を動作させて前記燃料電池(1)を保護する、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 外気温度を計測するセンサ(45)をさらに備え、
前記コントローラ(50)が、外気温度が低くなるほど前記所定期間を短く設定するようにさらに機能す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。 - 前記燃料電池(1)の停止期間とは前記燃料電池(1)が発電を停止してから次に起動するまでの時間であ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。
- 前記コントローラ(50)が、
過去の燃料電池(1)の起動時刻に関する情報に基づき前記燃料電池(1)の再起動時刻を予測し、
前記燃料電池(1)の停止時刻と予測された再起動時刻とに基づき前記燃料電池(1)の停止期間を演算する、
ようにさらに機能す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。 - 前記燃料電池(1)の停止期間を入力する入力装置(52)をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池システムにおいて、
水の流路(35)と発電に必要なガスの流路(33、34)を有する燃料電池(1)と、
前記燃料電池(1)を保温することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第1の保護装置(5、10)と、
前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第2の保護装置(11、12)と、
次のように機能するコントローラ(50)、
前記第1の保護装置(5、10)を用いて前記燃料電池(1)の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、
前記第2の保護装置(11、12)を用いて前記燃料電池(1)の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、
前記燃料電池(1)が停止しているときの保護装置として、前記第1の保護装置(5、10)、前記第2の保護装置(11、12)のうち、必要とされるエネルギが少ない方を選択し、
前記燃料電池(1)が停止しているとき選択された保護装置を動作させて前記燃料電池(1)を保護する、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記コントローラ(50)が、
前記燃料電池(1)の停止期間中の外気温度の変化を予測し、
予測される停止期間中の外気温度の変化に基づき前記第1の保護装置(5、10)を用いて前記燃料電池(1)の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算する、
ようにさらに機能することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 - 前記コントローラ(50)が、過去の外気温度の変化に関する情報に基づき停止期間中の外気温度の変化を予測するようにさらに機能することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
- システムの外部から将来の外気温度に関連する信号を受信する受信装置(46)をさらに備え、
前記コントローラ(50)が、前記受信装置(46)が受信した信号に基づき停止期間中の外気温度の変化を予測するようにさらに機能することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。 - 前記コントローラ(50)が、
再起動時刻における外気温度を予測し、
予測される再起動時刻における外気温度に基づき前記第2の保護装置(11、12)を用いて前記燃料電池(1)の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算する、
ようにさらに機能することを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 - 前記コントローラ(50)が、時刻と外気温度の相関関係から再起動時刻の外気温度を予測するようにさらに機能することを特徴とする請求項10に記載の燃料電池システム。
- システムの外部から将来の外気温度に関する信号を受信する受信装置(46)をさらに備え、
前記コントローラ(50)が、前記受信装置(46)が受信した信号に基づき再起動時刻における外気温度を予測するようにさらに機能することを特徴とする請求項10に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池システムにおいて、
水の流路(35)と発電に必要なガスの流路(33、34)を有する燃料電池(1)と、
前記燃料電池(1)を昇温させるヒータ(5)を備え、前記燃料電池(1)を保温することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第1の保護装置(5、10)と、
前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第2の保護装置(11、12)と、
前記ヒータ(5)に燃料を供給する燃料を貯蔵する貯蔵装置(22)と、
前記貯蔵装置(22)の燃料残量を検出するセンサ(47)と、
次のように機能するコントローラ(50)、
前記燃料電池(1)が停止しているときの保護装置として前記第1の保護装置(5、10)、第2の保護装置(11、12)のいずれかを選択し、
前記燃料電池(1)が停止しているとき選択された保護装置を動作させて前記燃料電池(1)を保護し、
前記第1の保護装置(5、10)による保護を実行中であっても、検出された燃料残量が所定量よりも低くなった場合は第1の保護装置(5、10)による保護を中止し、前記第2の保護装置(11、12)による保護を開始する、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池システムにおいて、
水の流路(35)と発電に必要なガスの流路(33、34)を有する燃料電池(1)と、
前記燃料電池(1)を昇温させるヒータ(5)を備え、前記燃料電池(1)を保温することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第1の保護装置(5、10)と、
前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第2の保護装置(11、12)と、
前記ヒータ(5)に電気を供給するバッテリ(23)と、
前記バッテリ(23)の充電状態を検出するセンサ(48)と、
次のように機能するコントローラ(50)、
前記燃料電池(1)が停止しているときの保護装置として前記第1の保護装置(5、10)、第2の保護装置(11、12)のいずれかを選択し、
前記燃料電池(1)が停止しているとき選択された保護装置を動作させて前記燃料電池(1)を保護し、
前記第1の保護装置(5、10)による保護を実行中であっても、検出された充電状態が所定値よりも低くなった場合は第1の保護装置(5、10)による保護を中止し、前記第2の保護装置(11、12)による保護を開始する、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池システムにおいて、
水の流路(35)と発電に必要なガスの流路(33、34)を有する燃料電池(1)と、
外気の酸素を消費して前記燃料電池(1)を昇温させるヒータ(5)を備え、前記燃料電池(1)を保温することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第1の保護装置(5、10)と、
前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する第2の保護装置(11、12)と、
外気の酸素濃度を検出するセンサ(49)と、
次のように機能するコントローラ(50)、
前記燃料電池(1)が停止しているときの保護装置として前記第1の保護装置(5、10)、第2の保護装置(11、12)のいずれかを選択し、
前記燃料電池(1)が停止しているとき選択された保護装置を動作させて前記燃料電池(1)を保護し、
前記第1の保護装置(5、10)による保護を実行中であっても、検出された酸素濃度が所定濃度よりも低くなった場合は第1の保護装置(5、10)による保護を中止し、前記第2の保護装置(11、12)による保護を開始する、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 第1の保護方法、第2の保護方法いずれかを選択し、
前記第1の保護方法を選択した場合は燃料電池(1)を保温することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止し、
前記第2の保護方法を選択した場合は前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する、
水の凍結からの燃料電池の保護方法において、
前記燃料電池(1)の停止期間が所定期間よりも短いときに前記第1の保護方法を選択し、所定期間よりも長いときに前記第2の保護方法を選択する、
ことを特徴とする保護方法。 - 外気温度を計測し、
外気温度が低くなるほど前記所定期間を短く設定することを特徴とする請求項16に記載の保護方法。 - 前記燃料電池(1)の停止期間とは前記燃料電池(1)が発電を停止してから再起動するまでの時間であることを特徴とする請求項16に記載の保護方法。
- 過去の燃料電池(1)の起動時刻に関する情報に基づき前記燃料電池(1)の再起動時刻を予測し、
前期燃料電池(1)の停止時刻と予測された再起動時刻とに基づき前記燃料電池(1)の停止期間を演算する、
ことを特徴とする請求項16に記載の保護方法。 - 前記燃料電池(1)の停止期間を入力装置から入力することを特徴とする請求項16に記載の保護方法。
- 第1の保護方法、第2の保護方法いずれかを選択し、
前記第1の保護方法を選択した場合は燃料電池(1)を保温することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止し、
前記第2の保護方法を選択した場合は前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止する、
水の凍結からの燃料電池の保護方法において、
前記第1の保護方法により前記燃料電池(1)の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、
前記第2の保護方法により前記燃料電池(1)の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、
前記第1の保護方法、第2の保護方法のうち、必要とされるエネルギが少ない方を選択する、
ことを特徴とする保護方法。 - 前記燃料電池(1)の停止期間中の外気温度の変化を予測し、
予測される停止期間中の外気温度の変化に基づき前記第1の保護方法により前記燃料電池(1)の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算する、
ことを特徴とする請求項21に記載の保護方法。 - 過去の外気温度の変化に関する情報に基づき停止期間中の外気温度の変化を予測することを特徴とする請求項22に記載の保護方法。
- 受信装置(46)により将来の外気温度に関連する信号をシステムの外部から受信し、
前記受信装置(46)により受信した信号に基づき停止期間中の外気温度の変化を予測する、
ことを特徴とする請求項22に記載の保護方法。 - 再起動時の外気温度を予測し、
予測される再起動時の外気温度に基づき前記第2の保護方法により前記燃料電池の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算する、
ことを特徴とする請求項21に記載の保護方法。 - 時刻と外気温度の相関関係から再起動時の外気温度を予測することを特徴とする請求項25に記載の保護方法。
- 受信装置(46)により将来の外気温度に関連する信号をシステムの外部から受信し、
受信装置(46)により受信した信号に基づき再起動時における外気温度を予測する、ことを特徴とする請求項25に記載の保護方法。 - 水の凍結からの燃料電池の保護方法において、
第1の保護方法、第2の保護方法いずれかを選択し、
前記第1の保護方法を選択した場合は前記燃料電池(1)を加熱し0℃以上に昇温させて前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止し、
前記第2の保護方法を選択した場合は前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止し、
前記燃料電池(1)の加熱に用いる燃料の残量を検出し、
前記第1の保護方法よる保護を実行中であっても、検出された燃料残量が所定量よりも少なくなった場合は保護方法を前記第1の保護方法から前記第2の保護方法に切り換える、
ことを特徴とする保護方法。 - 水の凍結からの燃料電池の保護方法において、
第1の保護方法、第2の保護方法いずれかを選択し、
前記第1の保護方法を選択した場合は前記燃料電池(1)を加熱し0℃以上に昇温させて前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止し、
前記第2の保護方法を選択した場合は前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止し、
前記燃料電池(1)の加熱に用いる電力の残量を検出し、
前記第1の保護方法よる保護を実行中であっても、検出された電力残量が所定量よりも少なくなった場合は保護方法を前記第1の保護方法から前記第2の保護方法に切り換える、
ことを特徴とする保護方法。 - 水の凍結からの燃料電池の保護方法において、
第1の保護方法、第2の保護方法いずれかを選択し、
前記第1の保護方法を選択した場合は外気の酸素を消費して前記燃料電池(1)を加熱し0℃以上に昇温させて前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止し、
前記第2の保護方法を選択した場合は前記燃料電池(1)内の水を排出することで前記燃料電池(1)内での水の凍結を防止し、
外気の酸素濃度を検出し、
前記第1の保護方法による保護を実行中であっても、検出された酸素濃度が所定濃度よりも低くなった場合は保護方法を前記第1の保護方法から前記第2の保護方法に切り換える、
ことを特徴とする保護方法。
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