JP4725191B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素等の燃焼ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させて、電気エネルギを得るものである。前記燃料電池システムは、発電可能な動作温度が定まっているため、起動時等、燃料電池が発電可能な温度に達していない場合には燃料電池を加熱昇温（暖機）させて、素早く発電可能な温度に暖機する構成を備えたものがある。また、燃料電池システムは、その温度が高すぎると発電効率が低下するため、燃料電池の温度が高すぎる場合には、外気と熱交換するラジエータ等の熱交換手段を用いて熱媒体を冷却して、この熱媒体を介して燃料電池を冷却する構成を備えている。

従来の燃料電池システムとして、燃料を燃焼させるヒータによって加熱された熱媒体と、前記ヒータの燃焼排気とを利用して、燃料電池を暖機させるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムによれば、燃焼式ヒータの起動直後であって熱媒体の温度が低いときであっても、加熱した熱媒体と燃焼排気とを用いて速やかに燃料電池を暖機させることができる。

また、従来の燃料電池システムとして、燃料電池から排出される排水素を燃焼する水素燃焼器の熱を利用して熱媒体を加熱して、この熱媒体によって燃料電池を暖機させる燃料電池システムにおいて、前記水素燃焼器と熱媒体との熱交換部の下流側に中間熱交換手段を設け、この中間熱交換手段に熱媒体を循環させて、当該中間熱交換手段を介して水素燃焼器の熱を放熱するものがある（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池システムによれば、前記中間熱交換器を介して水素燃焼器の熱を放熱することができ、水素燃焼器と熱的に接触している熱媒体の加熱を抑えることができる。従って、燃料電池を冷却する熱媒体の過度な温度上昇を防止することができる。
特開２００１−１５５７５３号公報 特開２００４−２３５０７５号公報 特開平６−３０４０８７号公報 特開平１−１６９２６９号公報 特開２００３−２４９２５１号公報

従来の燃料電池システムは、燃料電池の温度を電子制御装置（ＥＣＵ）に入力して、ＥＣＵが燃料電池の温度に基づいて予め設定されたプログラムに従って、前記ヒータ、熱媒体の循環経路等を制御している。従って、前記ＥＣＵが正常に作動している場合には、過度に熱媒体が加熱されればヒータが停止され、又は熱媒体が冷却されるように熱媒体を循環させるため、熱媒体は過度に加熱されない。しかし、ＥＣＵが正常に作動していない場合には、前記ヒータが適切に停止されず、又は熱媒体が冷却されるように循環されず、冷却水が過度に加熱されるおそれがある。特に、前記ヒータに熱媒体が流れていない状態では、加熱対象である熱媒体が循環せずにヒータに留まるため、熱媒体が急激に加熱され、熱媒体が沸騰するおそれがあった。

また、従来の燃料電池システムは、前記ヒータを通過して加熱された熱媒体の温度を検
出する温度センサを備え、この熱媒体の温度に基づいてヒータの停止を行うが、加熱された熱媒体が温度センサに到達するまでに一定のタイムラグが生じる場合、ヒータの停止が遅くなり、更に過度に熱媒体が加熱されるおそれがあった。

本発明は、前記種々の問題に鑑み、熱媒体を加熱して燃料電池を暖機する燃料電池システムにおいて、熱媒体の過度な加熱を防止できる燃料電池システムを提供することを技術的課題とする。

本発明は、電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池と熱交換を行う熱媒体が循環する熱媒体循環路と、前記熱媒体循環路に熱媒体を循環させる熱媒体ポンプと、前記熱媒体循環路上に設けられ、前記熱媒体を冷却する熱交換手段と、前記熱媒体循環路上の熱交換手段をバイパスさせて熱媒体を循環させる熱交換手段バイパス路と、前記温度検出手段によって検出された燃料電池の温度に基づいて熱交換手段バイパス路と熱媒体循環路とを流れる熱媒体のうち少なくともいずれか一方の流量を制御する熱媒体流量制御手段と、前記熱交換手段バイパス路上に設けられ、前記熱媒体を加熱する加熱手段と、前記熱交換手段バイパス路を流れる熱媒体の流量を検出する流量検出手段と、前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて、前記加熱手段を制御する加熱制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

本発明に係る燃料電池システムは、温度検出手段によって検出された燃料電池の温度に基づいて、熱媒体循環路と熱交換手段バイパス路とを流れる熱媒体のうち少なくともいずれか一方の流量を制御する。前記熱媒体循環路と熱交換手段バイパス路とを流れる熱媒体は、前記熱交換手段及び加熱手段によって、それぞれ冷却及び加熱される。本発明に係る燃料電池システムは、冷却及び加熱された熱媒体を用いて、燃料電池を冷却及び加熱する。

前記熱媒体の流量の制御は、燃料電池が発電可能な温度に達してなく燃料電池を暖機させる場合、前記加熱手段が設けられた熱交換手段バイパス路のみに熱媒体を流す、即ち加熱手段のみに熱媒体を流し、熱交換手段に熱媒体を流さない制御、前記加熱手段を流れる熱媒体の流量を多くする制御、前記熱交換手段を流れる熱媒体の流量を少なくする制御等を例示できる。このように熱媒体の流量を制御することにより、加熱された熱媒体によって燃料電池を暖機させることができる。

一方、燃料電池の温度が高い場合における熱媒体の流量の制御は、前記熱交換手段のみに熱媒体を流し、前記加熱手段に流さない制御、前記熱交換手段を流れる熱媒体の流量を多くする制御、前記加熱手段を流れる熱媒体の流量を少なくする制御等を例示できる。このように熱媒体の流量を制御することにより、冷却された熱媒体によって燃料電池の温度を低下させることができる。

本発明に係る燃料電池システムは、前記加熱手段を流れる熱媒体の流量を検出する流量検出手段と、検出された流量に基づいて加熱手段を制御する加熱制御手段とを備えており、加熱手段を流れる熱媒体の流量に基づいて加熱手段を制御することができる。従って、加熱手段に適度な流量の熱媒体が流れているときのみ加熱手段を作動させたり、加熱手段に流れている流量に基づいて、熱媒体が過度に加熱されないように加熱手段を制御することができる。このように、加熱手段を流れる熱媒体の流量を検出して、その流量に基づいて加熱手段を制御することにより、熱媒体の過度な加熱を防ぐことができ、熱媒体の沸騰等を防止して、燃料電池システムの故障を抑制することが可能となる。

また、前記加熱制御手段は、前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて、加熱手段の起動及び停止を制御することを特徴とすることが望ましい。これにより、加熱制御手段は、流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて熱媒体の過度な加熱を防止するように加熱手段を制御する。この加熱手段の制御は、検出された熱媒体の流量に基づいて加熱手段を起動又は停止する構成、流量に基づいて加熱手段の加熱量を増減させる構成等を例示でき、種々の構成とすることができる。

しかし、本発明に係る加熱制御手段は、熱媒体を沸騰しない温度以下に保つことが出来れば良く、微小な温度制御までは必ずしも必要ではない。従って、加熱制御手段は、出来る限り簡易な構成が望ましく、熱媒体の流量に基づいて加熱手段を起動および停止する構成がより適している。前記構成により、加熱制御手段の制御をより簡易なものにすることができ、誤作動の防止、低コスト化を図ることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記流量検出手段が、前記加熱手段に流入する熱媒体と加熱手段から流出する熱媒体との圧力差によって、前記熱交換手段パイパス路を流れる熱媒体の流量を検出することが望ましい。

前記加熱手段に熱媒体が流れている状態では、加熱手段が抵抗となるため、加熱手段に流入する前の熱媒体と加熱手段から流出した熱媒体とは、熱交換手段バイパス路における圧力が異なる。一方、前記加熱手段に熱媒体が流れていない状態、若しくは流れていてもその流量が微量な状態では、加熱手段に流入する前の熱媒体と加熱手段から流出した熱媒体とは、熱交換手段バイパス路における圧力が異ならないか、若しくは圧力差が微少となる。

従って、加熱手段に流入する前の熱媒体と加熱手段から流出した熱媒体の圧力差を検出することにより、加熱手段を流れる熱媒体の流量を検出することができる。また、圧力差を検出する前記構成は、流量計等を用いて流量を検出する構成と比較して簡易なものである。

本発明によれば、熱媒体を加熱して燃料電池を暖機する燃料電池システムにおいて、熱媒体を加熱する加熱手段を流れる熱媒体の流量を検出して、この流量に基づいて加熱手段を制御するため、熱媒体の過度な加熱を防止することができる。

発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される燃料電池システムのシステム構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料である水素を供給する水素供給装置（図示せず）と、空気供給装置（図示せず）と、加熱及び冷却システムと、電子制御装置（ＥＣＵ）２０とを備えている。

前記燃料電池１０は、水素と酸素とを電解質を介して電気化学的に反応させて電気エネルギを得るものである。本実施の形態に係る燃料電池１０は、燃料電池を電源として走行する電気自動車において多用されている固体高分子電解質型燃料電池である。

前記燃料電池１０には、水素供給装置より水素が供給され、空気供給装置から酸素を含んだ空気が供給されるように構成されている。水素供給装置としては、例えば、改質装置あるいは水素貯蔵タンクを用いることができ、空気供給装置としては、例えば、断熱圧縮機であるエアコンプレッサを用いることができる。

前記燃料電池１０は、発電における化学反応により発電中は水分と熱が発生して、その温度が上昇する。しかし、前記燃料電池１０は、発電効率のために発電中一定温度以下であることが望ましく、熱媒体を用いて燃料電池１０で発生した熱を放出するための冷却システムを備えている。

前記冷却システムは、熱媒体としての冷却水を燃料電池１０に循環させるための冷却水循環路１１と、冷却水を冷却するための熱交換手段としてのラジエータ１２と、前記冷却水の循環される流量を調整する熱媒体ポンプとしての冷却水ポンプ１３と、燃料電池１０を通過した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１４と、を備えている。燃料電池１０を通過して加熱された冷却水は、冷却水循環路１１を通ってラジエータ１２を通過し、このラジエータ１２において外気と熱交換され、冷却される。この冷却された冷却水は、再び燃料電池１０を通過し、燃料電池１０と熱交換して、加熱された状態で燃料電池１０から流出する。

また、燃料電池システムは、前記冷却システムと一体化して設けられた加熱システムを備えている。この加熱システムは、低温起動時等、燃料電池１０が発電温度に達していない際に、燃料電池１０を加熱昇温（暖機）させるシステムである。

前記加熱システムは、前記冷却水循環路１１と連通し、前記冷却水がラジエータ１２をバイパスするための熱交換手段バイパス路としてのラジエータバイパス路１５と、前記ラジエータバイパス路１５上に設けられ、冷却水を加熱する加熱手段としてのヒータ１６と、前記ヒータ１６を通過する冷却水の流量を検出する流量検出手段としての差圧センサ１７と、を備えている。前記ヒータ１６は、熱媒体である冷却水を加熱することができるものであればよく、電気ヒータ、あるいは燃焼式ヒータを用いることができる。

前記差圧センサ１７は、前記ラジエータバイパス路１５において、ヒータ１６に流入する冷却水とヒータ１６から流出する冷却水との圧力差を検出する。冷却水がヒータ１６を通過していればヒータ１６が抵抗となり、ヒータ１６の流入前と流出後とでは、冷却水の圧力に差が生じる。差圧センサ１７は、前記圧力差を検出することによりヒータ１６を通過する冷却水の流量（以下、ヒータ通過流量Ｆｈとする）を検出する。

燃料電池システムの低温起動時等、燃料電池１０を暖機させる際には、冷却水をラジエータバイパス路１５に循環させる。前記ラジエータバイパス路１５上に設けられたヒータ１６によって冷却水を加熱して、この加熱された冷却水を燃料電池１０に通過させて、燃料電池１０を暖機する。前記冷却水循環路１１とラジエータバイパス路１５の合流部分には、三方弁１８が設けられており、この三方弁１８によって、冷却水循環路１１とラジエータバイパス路１５のうちいずれか一方に冷却水を循環させることができる。

前記電子制御装置（ＥＣＵ）２０は、温度センサ１４によって検出された燃料電池１０の温度（以下、燃料電池温度Ｔｆｃとする）及びヒータ通過流量Ｆｈが入力されるように構成されている。ＥＣＵ２０は、燃料電池温度Ｔｆｃとヒータ通過流量Ｆｈに基づいて予め設定されたプログラムに従って、前記ヒータ１６、三方弁１８、冷却水ポンプ１３を制御しており、本発明に係る熱媒体流量制御手段と加熱制御手段の機能を備えている。

次に、上記構成の燃料電池システムにおける燃料電池温度制御を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。図２のフローチャートによる燃料電池温度制御は、前記ＥＣＵ２０によって実行される。尚、燃料電池温度制御は、一定間隔で繰り返されるルーチンである。

まず、前記燃料電池温度Ｔｆｃを算出して（ステップ１）、この燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ１未満であるかを判定する（ステップ２）。燃料電池温度Ｔｆｃは、温度センサ１４によって検出される燃料電池１０から流出した直後の冷却水の温度に基づいて算出する。前記所定温度Ｔ１は、燃料電池１０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であり、この所定温度Ｔ１以下では、燃料電池１０は発電処理を行わない。ステップ２の判定を行うことにより、燃料電池１０が発電可能な状態であるか否かを判定することができる。

前記ステップ２の判定の結果、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ１未満の場合には、燃料電池１０が発電不可能な状態であり、燃料電池１０を発電可能な状態にするため、燃料電池１０を暖機させる暖機処理を行う。

暖機処理を行う際は、前記三方弁１８によって冷却水の循環路を制御する（ステップ３）。具体的には、ラジエータ１２が配置された冷却水循環路１１ではなく、ヒータ１６が配置されたラジエータバイパス路１５に冷却水が流れるように三方弁１８を制御する。前記ラジエータバイパス路１５に冷却水を流すことにより、ラジエータバイパス路１５に設けられたヒータ１６によって冷却水を加熱し、この加熱された冷却水によって燃料電池１０を暖機させることができる。

前記燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて、ヒータ１６の加熱量及び循環させる冷却水の流量を決定する（ステップ４）。前記ヒータ１６の加熱量は、燃料電池温度Ｔｆｃと、それに基づく冷却水の加熱量に基づいて算出する。具体的には、燃料電池温度Ｔｆｃが低い場合には、燃料電池１０を加熱する多くの熱量が必要であるため、ヒータ１６の加熱量を多くして、冷却水の流量を多くする。

前記ステップ４で決定された冷却水の流量に基づいて、冷却水ポンプ１３を制御して（ステップ５）、冷却水の流量を調整する。これにより、燃料電池１０に所定流量の冷却水を循環させることができる。冷却水の流量を調整した後、前記ヒータ通過流量Ｆｈを検出する（ステップ６）。このヒータ通過流量Ｆｈの検出は、前記ヒータ１６の流入側と流出側の冷却水の圧力差を検出する差圧センサ１７によって行う。冷却水がヒータ１６を通過すると、ヒータ１６が抵抗となり、流入前と流出後とで冷却水の圧力に差が生じる。冷却水の流量が多くなれば、その分圧力差も大きくなる。このように、差圧センサ１７によって検出された圧力差に基づいて、ヒータ通過流量Ｆｈを算出する。

ヒータ通過流量Ｆｈを算出した後、ヒータ通過流量Ｆｈが所定流量Ｆ１以上であるかを判定する（ステップ７）。前記所定流量Ｆ１とは、ステップ４で算出されたヒータ１６の加熱量に基づいて決定される値であり、ヒータ１６が作動した際に冷却水が過度に加熱されない、即ち冷却水が沸騰しない流量である。ヒータ１６を通過する流量が少ない状態でヒータ１６が作動すると、冷却水は急激に温度上昇して、冷却水が局部的に沸騰するおそれがあるためである。また、前記ＥＣＵ２０の故障、三方弁１８の制御故障等により、ラジエータバイパス路１５に冷却水が流れていない状態でヒータ１６が作動すると、冷却水が沸騰して燃料電池システムの故障等を招くおそれもある。従って、前記所定流量Ｆ１は、ヒータ１６によって加熱されても冷却水が沸騰しない流量であればよく、ヒータ１６の加熱能力、ヒータ１６の通過抵抗等に基づいて定めることが望ましい。

前記ステップ７の判定の結果、ヒータ通過流量Ｆｈが所定流量Ｆ１以上である場合には、ヒータ１６を通過する冷却水の流量が十分であると判断して、ヒータ１６による加熱処理を行う。

前記加熱処理は、ヒータ１６が作動しているか否かを判定して（ステップ８）、ヒータ
１６が作動している場合には、上記ステップ４で決定したヒータ１６の加熱量に基づいて、ヒータ１６の加熱量を制御する（ステップ１０）。一方、ヒータ１６が作動していない場合には、ヒータ１６を起動して（ステップ９）、ヒータ１６の加熱量を制御する（ステップ１０）。

また、ステップ７の判定の結果、ヒータ通過流量Ｆｈが所定流量Ｆ１未満である場合には、ヒータ１６を通過する冷却水の流量が十分でないため、ヒータ１６による加熱処理を行わない。ヒータ１６による冷却水の過度な加熱を防ぐためである。ヒータ１６による加熱処理を行わない場合には、ヒータ１６が作動しているかを判定して（ステップ１１）、作動している場合には、ヒータ１６を停止する（ステップ１２）。ヒータ１６を停止した後、又はヒータ１６が停止していた場合には、ステップ４において決定された冷却水の流量に近づけるように、再び冷却水ポンプ１３を制御して（ステップ５）、冷却水の流量を調整した後、再度ヒータ通過流量Ｆｈを検出する（ステップ６）。その後の処理は上記と同様である。

また、前記ステップ２において、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ１以上であると判定した場合には、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ２未満であるかを判定する（ステップ１４）。この所定温度Ｔ２は、燃料電池１０の発電効率のために、燃料電池１０の温度をそれ以下に維持することが望ましい温度であり、燃料電池の種類等に応じて適宜に設定する。

燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ２以上と判定された場合は、燃料電池１０の発電効率の低下を防止するため、前記冷却水を用いて燃料電池１０の冷却処理を行う。この冷却処理は、まず、前記ヒータ１６が作動しているか否かを判定する（ステップ１５）。判定の結果、ヒータ１６が作動している場合には、ヒータ１６を停止する（ステップ１６）。前述の暖機処理によりヒータ１６が作動している場合があるが、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ２以上であり、これ以上暖機処理する必要がないためである。

前記ヒータ１６を停止した後、又はステップ１５の判定の結果、ヒータ１６が作動してない場合には、水素と酸素の供給を開始する（ステップ１７）。水素と酸素を供給することにより、燃料電池１０によって発電処理が行われる。

次いで、前記三方弁１８を制御して、冷却水の循環路を調整する（ステップ１８）。具体的には、ヒータ１６が配置されたラジエータバイパス路１５ではなく、ラジエータ１２が配置された冷却水循環路１１に冷却水が流れるように三方弁１８を制御する。前記冷却水循環路１１に冷却水を循環させることにより、ラジエータ１２に冷却水が流れる。ラジエータ１２によって冷却水と外気との熱交換が行われ、ラジエータ１２を通過した冷却水は冷却された状態で燃料電池１０を通過するため、燃料電池１０を冷却することができる。

前記三方弁１８を制御した後、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて循環させる冷却水の流量を決定する（ステップ１９）。前記冷却水の流量は、冷却すべき燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて算出される。具体的には、燃料電池温度Ｔｆｃが高い場合には、燃料電池１０を冷却する多くの熱量が必要であるため、冷却水の流量を多くする。このようにして決定された冷却水の流量に基づいて、冷却水ポンプ１３を制御して（ステップ２０）、冷却水の流量を調整する。

次いで、前記ステップ１４において、燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ２未満であると判定された場合の処理について説明する。燃料電池温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ２未満と判定された場合は、燃料電池１０は、発電可能な所定温度Ｔ１以上であり、かつ発電効率が低
下する下限である所定温度Ｔ２未満であるため、発電処理に適している温度といえる。

従って、水素、酸素の供給を開始して（ステップ２１）、発電処理を行う。以下、前記暖機処理と同様に、冷却水の循環路の制御（ステップ３）等を行い、燃料電池温度Ｔｆｃを適した温度に保ちつつ、上記の処理を行う。

以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池温度Ｔｆｃに基づいて、燃料電池１０を加熱昇温させる暖機処理、および燃料電池１０を冷却する冷却処理を行うことができる。また、前記暖機処理は、ヒータ１６によって冷却水を加熱して、この加熱した冷却水を燃料電池１０に通過させることにより行うが、ヒータ通過流量Ｆｈに基づいてヒータ１６を制御するため、ヒータ１６による冷却水の過度な加熱を防止でき、冷却水の沸騰及びそれに伴う燃料電池システムの故障等を未然に防ぐことが可能となる。

本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池
１１ 冷却水循環路
１２ ラジエータ
１３ 冷却水ポンプ
１４ 温度センサ
１５ ラジエータバイパス路
１６ ヒータ
１７ 差圧センサ
１８ 三方弁
２０ 電子制御装置

Claims (3)

1. 電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池と熱交換を行う熱媒体が循環する熱媒体循環路と、
   前記熱媒体循環路に熱媒体を循環させる熱媒体ポンプと、
   前記熱媒体循環路上に設けられ、前記熱媒体を冷却する熱交換手段と、
   前記熱媒体循環路上の熱交換手段をバイパスさせて熱媒体を循環させる熱交換手段バイパス路と、
   前記温度検出手段によって検出された燃料電池の温度に基づいて、前記熱交換手段バイパス路と熱媒体循環路とを流れる熱媒体のうち少なくともいずれか一方の流量を制御する熱媒体流量制御手段と、
   前記熱交換手段バイパス路上に設けられ、前記熱媒体を加熱する加熱手段と、
   前記熱交換手段バイパス路を流れる熱媒体の流量を検出する流量検出手段と、
   前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて、前記加熱手段を制御する加熱制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記加熱制御手段は、前記流量検出手段によって検出された熱媒体の流量に基づいて、加熱手段の起動及び停止を制御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. 前記流量検出手段は、前記加熱手段に流入する熱媒体と加熱手段から流出する熱媒体との圧力差によって、前記熱交換手段パイパス路を流れる熱媒体の流量を検出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

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