JP4534281B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の温度を管理(加熱昇温)する燃料電池システムに関するもので、燃料電池を電源として走行する燃料電池車両に適用して有効である。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、周知のごとく、水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する(発電する)ものであるが、車両等の移動体の駆動源として考えられている高分子電解質型燃料電池においては、0℃以下の温度条件では、電極近傍に存在している水分が凍結し、反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下すると言う問題がある。
【0003】
そこで、例えば特開平7−94202号公報に記載の発明では、燃焼式ヒータにより流体を加熱し、その加熱された流体(温水)を燃料電池に供給することにより、燃料電池を加熱昇温(暖機)している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼式ヒータを起動した直後においては、燃焼式ヒータ及び流体の温度が外気温度まで低下していることに加えて、燃焼式ヒータ及び流体は比較的大きな熱容量を有しているので、燃焼式ヒータの起動と同時に高温の流体(温水)を燃料電池に供給することができない。したがって、燃料電池を速やかに加熱昇温することができない。
【0005】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池を速やかに加熱昇温させることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、水素と酸素とを化学反応させて電力を発生させる燃料電池(1)と、燃料を燃焼させて熱を発生させる燃焼式ヒータ(4)と、焼式ヒータ(4)の燃焼排気を冷却した後、その冷却した燃焼排気を燃料電池(1)に導き、燃料電池(1)を加熱昇温させる第1燃料電池加熱手段(8、17)と、燃焼式ヒータ(4)にて加熱された流体を燃料電池(1)内に循環させて燃料電池(1)を加熱昇温させる第2燃料電池加熱手段(5、14)とを有することを特徴とする。
【0007】
これにより、燃焼式ヒータ(4)の起動直後であって、流体の温度が低いときであっても、高温の燃焼排気により燃料電池(1)を速やかに加熱昇温させることができる。
【0008】
ところで、燃焼排気の温度は、一般的に1000℃以上であり、燃料電池(1)の耐熱温度より高いため、燃焼排気をそのまま燃料電池(1)内に供給すると、燃料電池(1)が損傷してしまう。
【0009】
これに対して、本発明では、燃焼排気を冷却した後、その冷却した燃焼排気を燃料電池(1)に供給しているので、燃料電池(1)が損傷してしまうことを未然に防止することができる。
【0010】
また、燃焼排気及び燃焼式ヒータ(4)により加熱された流体の両者により燃料電池(1)を加熱昇温することができるので、燃焼排気又は流体のいずれか一方のみで燃料電池(1)を加熱昇温させる場合に比べて、燃焼式ヒータ(4)で発生した熱を有効的に燃料電池(1)に与えることができる。
【0011】
ところで、流体の温度が低いときに、燃焼排気と流体とを燃料電池(1)に供給すると、燃料電池(1)内において燃焼排気の熱が低温の流体に伝熱してしまい、燃焼排気の熱を効率良く燃料電池(1)に与えることができなくなるおそれがある。
【0012】
これに対して、請求項1に記載の発明では、燃焼式ヒータ(4)にて加熱された流体の温度が所定温度未満のときには、第1燃料電池加熱手段(8、17)にて燃料電池(1)を加熱昇温させ、燃焼式ヒータ(4)にて加熱された流体の温度が所定温度以上のときは、第1燃料電池加熱手段(8、17)に加えて、第2燃料電池加熱手段(5、14)にて燃料電池(1)を加熱昇温させることを特徴としている。
【0013】
これにより、流体の温度が低いときに、燃焼排気の熱が低温の流体に伝熱してしまうことを防止できるので、燃焼排気の熱を効率良く燃料電池(1)に与えることができる。
【0014】
なお、請求項2に記載の発明のごとく、燃焼排気中に新気を注入することにより、燃焼排気を冷却してもよい。
【0015】
また、請求項3に記載の発明のごとく、燃焼排気中に水を噴射することにより、燃焼排気を冷却してもよい。
【0016】
また、請求項4に記載の発明のごとく、燃焼式ヒータ(4)に燃料電池(1)に循環させる流体を加熱する電気ヒータ(4a)を内蔵してもよい。
【0017】
また、請求項5に記載の発明のごとく、燃焼式ヒータ(4)は、燃料電池(1)の燃料を燃焼させて熱を発生させることが望ましい。
【0018】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【0019】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
本実施形態は、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車(燃料電池車両)に適用したものであって、図1は本実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【0020】
図1中、1は水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生し、走行用電動モータやバッテリ等の電気機器EVに電力を供給する燃料電池(FCスタック)であり、この燃料電池1は、図2に示すように、電解質膜1a、カーボンクロス1b、冷却板1c、セパレータ1d、冷媒(流体)流路1e、及び空気(酸素)通路1fからなる公知の固体高分子型のもである。
【0021】
なお、燃料電池1に供給される水素は、水とメタノールとから生成されたもので、この生成された水素は、空気通路1fに対して直交する方向に燃料電池1内を流通し、空気通路1f内を流通する空気(酸素)と反応して電力を発生する。因みに、2は生成された水素を燃料電池1に供給するための水素配管であり、3は空気通路1f(燃料電池1)に供給する空気が流通する空気配管である。
【0022】
また、図1中、4は燃料を燃焼させて熱を発生させる燃焼式ヒータであり、5は燃焼式ヒータ3にて加熱された冷媒(流体)を燃料電池1(冷媒流路1f)に供給する(循環させる)冷媒配管である。6は冷媒と外気(大気)とを熱交換し、冷媒を冷却するラジエータであり、このラジエータ6は、燃焼式ヒータ4内を流通する冷媒流れと並列となるように冷媒回路中に配設されている。なお、本実施形態では、水素を生成するためメタノール(燃料電池1の燃料)を燃焼式ヒータ4の燃料としている。
【0023】
7は燃焼式ヒータ4から流出する冷媒を燃料電池1を迂回させて燃焼式ヒータ4に還流させるバイパス回路であり、8は燃焼式ヒータ4の燃焼排気を燃料電池1(空気通路1f)に供給する排気管(排気通路)である。
【0024】
なお、9はバイパス回路7及び燃料電池1に流通させる冷媒量を調節する第1流量調節弁(第1流量調節手段)であり、10はラジエータ6及び燃焼式ヒータ4に流通させる冷媒量を調節する第2流量調節弁(第2流量調節手段)であり、11は燃焼排気を燃料電池1に供給する場合と大気中に排出する場合とを切り換えるとともに、燃料電池1に供給する燃焼排気の量を調節する第3流量調節弁(第3流量調節手段)である。
【0025】
12、13は燃料電池1(空気通路1f)内に発電用の空気(空気配管3から供給される空気)をさせる場合と、燃焼排気を流通させる場合とを切り換える切換弁であり、この2つの切換弁12、13は互いに連動して作動するものである。因みに、燃料電池1(空気通路1f)内において、発電用の空気の流通の向きは、燃焼気排気の流通の向きと逆向きである。
【0026】
14は冷媒を循環させるウォータポンプであり、15は燃焼式ヒータ4に燃料を供給する燃料ポンプであり、16は燃焼式ヒータ4に燃焼用の空気を供給する第1エアポンプである。17は、排気管8内に外気(新気)を供給して、燃焼排気を希釈させてその温度を低下させる第2エアポンプである。
【0027】
18、19は冷媒の温度を検出する第1、2温度センサ(第1、2冷媒温度検出手段)であり、第1温度センサ18は燃料電池1から流出した直後の冷媒の温度を検出し、第2温度センサ19は、バイパス回路7から流出する冷媒の温度を検出する。20は燃料電池1(電解質膜1a)の温度を検出するFC温度センサであり、このFC温度センサ20は、複数箇所にて燃料電池1の温度を検出している。
【0028】
そして、各センサ18〜20の検出温度は、図3に示すように、電子制御装置(ECU)21に入力されており、ECU21は各センサ18〜20の検出温度に基づいて予め設定されたプログラムに従って、燃焼式ヒータ4、第1〜3流量調節弁9〜11、切換弁12、13、ウォータポンプ14、燃料ポンプ15、及び第1、2エアポンプ16、17等の機器を制御する。
【0029】
次に、本実施形態の作動を図4に示すフローチャートに基づいて述べる。
【0030】
車両の始動スイッチ(図示せず。)が投入されると、燃料電池1の温度(FC温度センサ20の検出温度)を読み込み(S100)、燃料電池1の温度(FC温度)Tfcが第1所定温度T1以上、第2所定温度以下であるか否かを判定する(S110)。
【0031】
ここで、第1所定温度T1は、燃料電池1にて発電を行うことができる最低温度に対して所定の余裕を加味した温度を意味し、第2所定温度は燃料電池にて発電を行うことができる最高温度に対して所定の余裕を加味した温度を意味するものである。
【0032】
そして、FC温度Tfcが第1所定温度未満であるときには、バイパス回路7から流出する冷媒の温度Tw1(第2温度センサ19の検出温度)が第3所定温度T3以上となるまで、燃焼排気を燃料電池1内を流通させるように第3流量調節弁11及び切換弁12、13を作動させるとともに、燃焼式ヒータ4にて加熱された冷媒の全てがバイパス回路7を流通するように第1流量調節弁9を作動させた状態(以下、この状態を第1暖機モードと呼ぶ。)で、ウォータポンプ14及び燃焼式ヒータ4を始動させる(S120〜S150)。なお、第3所定温度T3は、第1所定温度T1以上、第2所定温度T2未満の温度である。
【0033】
その後、温度Tw1が第3所定温度以上となったときには、燃料電池1から流出する冷媒の温度Tw2(第1温度センサ18の検出温度)が第1所定温度T1以上となるまで、燃焼排気に加えて、燃焼式ヒータ4にて加熱された冷媒の全てを燃料電池1に供給する第2暖機モードを実行する(S160、S170)。
【0034】
ここで、第1、2暖機モードでは、第2エアポンプ17により排気管8中に新気を送り込み、燃焼排気を希釈冷却して燃料電池1に供給している。そして、排気管8や第2エアポンプ17等により、燃焼排気を冷却した後、その冷却した燃焼排気を燃料電池1に導いて燃料電池1を加熱昇温させる第1燃料電池加熱手段が構成されている。また、冷媒配管5やウォータポンプ14等により、燃焼式ヒータ4にて加熱された冷媒を燃料電池1内に循環させて燃料電池1を加熱昇温させる第2燃料電池加熱手段が構成されている。
【0035】
その後、燃料電池1から流出する冷媒の温度Tw2が第1所定温度T1以上となったときには、燃料電池1が発電することができ得る状態になったものと見なして、燃焼式ヒータ4を停止を停止して燃焼排気を燃料電池1に供給することを停止し(S180)、水素及び酸素(空気)を燃料電池1に供給して発電を開始する(S190)。
【0036】
次に、発電開始後に検出した温度Tw2が第4所定温度T4以上であるか否かを判定し(S200)、温度Tw2が第4所定温度T4以上となったときには、冷媒をラジエータ6に流通させるとともに、温度Tw2が第1所定温度T1以上、第2所定温度T2以下となるように、ラジエータ6に流通させる冷媒量及びラジエータ6に供給する冷却風量を制御するFC冷却モードを実行する(S210)。なお、第4所定温度T4は、第3所定温度T3以上、第2所定温度T2未満の温度である。
【0037】
因みに、S110にて燃料電池1の温度(FC温度)Tfcが第1所定温度T1以上、第2所定温度以下であると判定されたときには、燃料電池1を加熱昇温(暖機)する必要がないものと見なして、発電を開始する(S190)。
【0038】
また、S110にて燃料電池1の温度(FC温度)Tfcが第2所定温度より高いと判定されたときには、燃料電池1の温度が過度に上昇(オーバヒート)しているものともなして、冷媒をラジエータ6と燃料電池1との間で循環させて燃料電池1を冷却する(S200)。
【0039】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【0040】
本実施形態では、燃焼式ヒータ4の燃焼排気にて燃料電池1を加熱昇温させる第1燃料電池加熱手段を有しているので、燃焼式ヒータ4の起動直後であって、冷媒温度が低いときであっても、高温の燃焼排気により燃料電池1を速やかに加熱昇温させることができる。
【0041】
ところで、燃焼排気の温度は、一般的に1000℃以上であり、燃料電池1(電解質膜1a)の耐熱温度(固体高分子型では、約100℃)より高いため、燃焼排気をそのまま燃料電池1内に供給すると、燃料電池1(電解質膜1a)が損傷してしまう。
【0042】
これに対して、本実施形態では、第2エアポンプ17により新気を排気管8中に供給して燃焼排気の温度を(約200℃まで)低下させた状態で、燃焼排気を燃料電池1に供給しているので、燃料電池1(電解質膜1a)が損傷してしまうことを未然に防止することができる。
【0043】
ところで、冷媒温度が低いときに、燃焼排気と冷媒とを燃料電池1に供給すると、燃料電池1内において燃焼排気の熱が低温の冷媒に伝熱してしまい、燃焼排気の熱を効率良く燃料電池1に与えることができなくなるおそれがある。
【0044】
これに対して、本実施形態では、燃焼式ヒータ4により加熱された冷媒の温度が第3所定温度T3未満であるときには、燃焼排気によって燃料電池1を加熱昇温し、冷媒の温度が第3所定温度T3以上となったときには、燃焼排気及び加熱された冷媒により燃料電池1を加熱昇温するので、冷媒温度が低いときに、燃焼排気の熱が低温の冷媒に伝熱してしまうことを防止できる。したがって、燃焼排気の熱を効率良く燃料電池1に与えることができる。
【0045】
また、燃焼式ヒータ4により加熱された冷媒の温度が第3所定温度T3以上のときには、燃焼排気及び燃焼式ヒータ4により加熱された冷媒の両者により燃料電池1を加熱昇温するので、燃焼排気又は冷媒のいずれか一方のみで燃料電池1を加熱昇温させる場合に比べて、燃焼式ヒータ4で発生した熱を有効的に燃料電池1に与えることができる。
【0046】
ところで、固体高分子型の燃料電池では、電解質膜1aを加湿する必要があるが、本実施形態では、燃料電池1内に燃焼排気を供給しているので、燃焼排気中に含まれる水蒸気により電解質膜1aを加湿することができる。
【0047】
(第2実施形態)
第1実施形態では、第1エアポンプ17により新気を排気管8に注入することにより燃料電池1に供給する燃焼排気を冷却したが、本実施形態は、図5に示すように、保温等の凍結防止策が施された貯水タンク22を設けるとともに、インジェクタ(噴射装置)23により貯水タンク22内に蓄えられた水を排気管8内に噴射することにより、燃焼排気を加湿冷却するものである。
【0048】
これにより、電解質膜1aをより確実に加湿しながら、燃焼排気を冷却することができる。
【0049】
(第3実施形態)
本実施形態は、図6に示すように、第1実施形態に係る燃料電池システム(図1参照)に対して、燃焼式ヒータ4から流出する冷媒を燃料電池1を迂回させて燃焼式ヒータ4に還流させるバイパス回路7及び第2温度センサ19を廃止したものである。
【0050】
なお、本実施形態は、第2実施形態に係る燃料電池システム(図5参照)に対して適用してもよい。
【0051】
(第4実施形態)
本実施形態は、図7に示すように、燃料電池1に循環させる冷媒(流体)を加熱する電気ヒータ4aを燃焼式ヒータ4内に内蔵したものである。なお、図7中、4bは着火装置であり、4cは燃料噴射ノズルである。
【0052】
これにより、燃焼式ヒータ4の燃焼熱(燃焼排気の熱及び冷媒に供給された熱の両者)に加えて、電気ヒータ4aの熱を燃料電池1に供給することができるので、燃料電池1を短時間で加熱昇温させることができる。
【0053】
また、一般的に、燃焼式ヒータ4では、過度に発熱量を低下させると、安定的に燃料を燃焼させることができないので、その発熱量の下限値は最大能力の30%〜50%と比較的大きい。このため、燃料電池1の加熱昇温に必要な熱量が小さい低熱負荷時には、燃焼式ヒータ4のみで加熱昇温することが難しい。
【0054】
そこで、本実施形態では、図8に示すように、低熱負荷時においては、電気ヒータ4aにより燃料電池1を加熱昇温し、中〜高熱負荷時には、燃焼式ヒータ4のみ又は燃焼式ヒータ4と電気ヒータ4aとを併用することにより燃料電池1を加熱昇温している。これにより、燃料電池1を効率良く加熱昇温することができる。
【0055】
(その他の実施形態)
上述の実施形態では、メタノール(燃料電池1の燃料)を燃料として燃焼式ヒータ4を稼働させたが、燃焼式ヒータ4の燃料は、メタノール(燃料電池1の燃料)に限定されるものではなく、軽油やガソリン等の燃料でもよい。なお、軽油やガソリン等を燃料とする場合には、燃焼排気に含まれる燃料電池1に対して有害な物質を除去するフィルタを設けることが望ましい。
【0056】
また、上述の実施形態では、燃焼式ヒータ4を燃料電池1の加熱昇温(暖機)のみに使用したが、車室内の暖房を行う燃焼式ヒータと兼用させてもよい。同様に、電気ヒータ4aも車室内の暖房を行う電気ヒータと兼用させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図2】燃料電池の構造図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの制御系を示すブロック図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【図5】本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図6】本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図7】本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムで使用される燃焼式ヒータの模式図である。
【図8】本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムで使用される燃焼式ヒータの作動を示すチャートである。
【符号の説明】
1…燃料電池、4…燃焼式ヒータ、5…冷媒配管、6…ラジエータ、
7…バイパス回路、8…排気管、17…第2エアポンプ。
Claims (5)
- 水素と酸素とを化学反応させて電力を発生させる燃料電池(1)と、
燃料を燃焼させて熱を発生させる燃焼式ヒータ(4)と、
前記燃焼式ヒータ(4)の燃焼排気を冷却した後、その冷却した燃焼排気を前記燃料電池(1)に導き、前記燃料電池(1)を加熱昇温させる第1燃料電池加熱手段(8、17)と、
前記燃焼式ヒータ(4)にて加熱された流体を前記燃料電池(1)内に循環させて前記燃料電池(1)を加熱昇温させる第2燃料電池加熱手段(5、14)とを有し、
前記燃焼式ヒータ(4)にて加熱された流体の温度が所定温度未満のときには、前記第1燃料電池加熱手段(8、17)にて前記燃料電池(1)を加熱昇温させ、
前記燃焼式ヒータ(4)にて加熱された流体の温度が所定温度以上のときは、前記第1燃料電池加熱手段(8、17)に加えて、前記第2燃料電池加熱手段(5、14)にて前記燃料電池(1)を加熱昇温させることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第1燃料電池加熱手段(8、17)は、前記燃焼排気中に新気を注入することにより、前記燃焼排気を冷却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。
- 前記第1燃料電池加熱手段(8、17)は、前記燃焼排気中に水を噴射することにより、前記燃焼排気を冷却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。
- 前記燃焼式ヒータ(4)には、前記燃料電池(1)に循環させる流体を加熱する電気ヒータ(4a)が内蔵されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
- 前記燃焼式ヒータ(4)は、前記燃料電池(1)の燃料を燃焼させて熱を発生させることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の燃料電池システム。
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