JP4534281B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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