JP4852819B2

JP4852819B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4852819B2
Application number: JP2003365991A
Authority: JP
Inventors: 雅俊飯尾; 弘正酒井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2023-10-27
Also published as: JP2005129449A

Description

本発明は、燃料電池システムの燃料電池暖機に関するものであり、特に氷点下起動時に関するものである。

従来、ヒータによって冷媒を加熱し、その加熱した冷媒を燃料電池へ供給し、燃料電池と燃熱交換を行い、暖機するものが、特許文献１に開示されている。
特開２０００−３１５５１２号公報

しかし、上記の発明では、冷媒の温度に関わらず燃料電池へ冷媒を流しているので、氷点下起動時には氷点下の冷媒が燃料電池へ流れ、燃料電池の発電によって生じた熱を冷媒によって奪ってしまい、燃料電池の暖機を妨げるといった問題点がある。また、燃料電池の発電により生成された水を凍結してしまい、その氷によってカソードを閉塞し、燃料電池の起動を阻害してしまうといった問題がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、冷媒の温度を検出し、その温度に応じて冷媒の流量を制御し、燃料電池の発電を阻害せずに速やかに燃料電池を起動させることを目的とする。

本発明では、燃料電池と熱交換可能な冷媒が流れる循環回路と、冷媒を冷却する冷却手段と、冷媒を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、冷媒の循環流量を制御する流量制御手段と、冷媒温度を検出する温度検出手段を備える。また、燃料電池の冷媒の出口での冷媒温度に基づいて、冷媒の循環流量と冷媒の加熱量の少なくともどちらか一方を制御し、燃料電池の冷媒の入口付近の冷媒温度が目標値となるように制御する冷媒温度制御手段を備え、燃料電池システムの氷点下起動時に、冷媒温度制御手段は、燃料電池の冷媒の入口付近における冷媒の温度が目標値以上となり燃料電池の発電を開始した後に、燃料電池の冷媒の出口の温度が高くなるほど冷媒の循環流量を大きくする。
また、燃料電池を循環し、冷媒によって前記燃料電池と熱交換可能な循環回路と、冷媒を冷却する冷却手段と、冷媒を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、冷媒の循環流量を調整する流量調整手段と、燃料電池の冷媒の出口での冷媒の温度を検出する温度検出手段と、燃料電池暖機時に温度検出手段によって検出された温度に基づいて、少なくとも冷媒の循環流量と冷媒の加熱量のどちらか一方を制御し、燃料電池の冷媒の入口付近における冷媒の温度が目標値以上となるように制御する冷媒温度制御手段とを備え、燃料電池システムの氷点下起動時に、冷媒温度制御手段は、燃料電池の冷媒の入口付近における冷媒の温度が目標値以上となり燃料電池の発電を開始した後に、燃料電池の前記冷媒の出口の温度が高くなるほど加熱手段における冷媒の加熱量を小さくする。

本発明によると、例えば氷点下起動時に冷媒の循環流量を少なくし、加熱手段によって冷媒を素早く加熱することができ、燃料電池の上流の冷媒温度を素早く温めることができる。これにより、一度発電を開始した燃料電池を再び氷点下以下にすることがなく、低温状態でも燃料電池の発電を継続することができる。

本発明の第１実施形態の構成を図１のブロック図を用いて説明する。

第１実施形態では、燃料電池１と、燃料電池１に水素を供給する水素タンク３と、酸素を含んだ空気を供給するコンプレッサ２を備える。水素タンク３は水素配管２０によって図示しない燃料電池１のアノードと接続しており、アノードに水素を供給する。コンプレッサ２は空気配管２１によって図示しない燃料電池１のカソードと接続しており、カソードに酸素を含んだ空気を供給する。燃料電池１は水素と空気中の酸素によって発電を行う。水素配管２０と空気配管２１の途中にそれぞれ三方弁２０ａと２０ｂを備え、三方弁２０ａと２０ｂによって燃料電池１へ供給する水素と空気の流量を制御する。また、三方弁２０ａ、２０ｂは後述する水素燃焼器８と接続する配管２２、２３と接続している。

また、燃料電池１の温度調整を調整するために燃料電池１と冷却手段としてのラジエータ４と、加熱手段としての熱交換器９との間で冷媒が循環する循環回路である冷媒配管５と、冷媒配管５を循環する冷媒を送り出し、かつその流量を制御する冷媒ポンプ７を備える。

冷媒配管５は分岐部５０で、ラジエータ４を途中に介装する冷却配管５ａと、熱交換器９を途中に介装する加熱配管５ｂとに分岐する。分岐した冷却配管５ａと加熱配管５ｂは三方弁６を介して合流し、再び一つの冷媒配管５となり燃料電池１へ接続する。また、冷媒配管５には冷媒を蓄える冷媒タンク１３が接続し、冷媒ポンプ７を冷媒タンク１３と分岐部５０の間に設ける。燃料電池１の下流の冷媒配管５には温度検出手段である温度センサ１０を備える。三方弁６を切り換えることより冷媒は、冷却配管５ａと加熱配管５ｂへ流れる流量を調整することができる。

ラジエータ４で外気との熱交換で冷媒を冷却する。

熱交換器９は水素燃焼器８からの熱を受け、冷媒を加熱する。水素燃焼器８には、水素タンク３から三方弁２０ａを介して配管２２を通り、水素が供給され、また、コンプレッサ２から三方弁２０ｂを介して配管２３を通り、空気が供給される。そして、水素を空気中の酸素によって燃焼させて燃焼ガスを発生させる。水素と空気はそれぞれ三方弁２０ａ、２０ｂによって流量を調整される。なお、水素燃焼器８は燃焼触媒を用いた燃焼器である。水素燃焼器８で発生した燃焼ガスは熱交換器９に送られ、熱交換器９で加熱配管５ｂ中の冷媒と熱交換を行い、冷媒を加熱する。熱交換を行い冷却された燃焼ガスが外部へ放出される。

また、三方弁６などの流量制御弁、水素燃焼器８などを制御し、燃料電池１の温度を制御するコントローラ３０を備える。

次に燃料電池システムの起動時におけるコントローラ３０の制御について図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、燃料電池システムを起動する際には、ステップＳ２０において、冷媒ポンプ７を起動する。冷媒ポンプ７によって冷媒配管５を流れる冷媒の流量は、冷媒ポンプ７が流すことのできる最小流量とする。このとき全冷媒が加熱配管５ｂへ流れるように三方弁６は制御されている。

ステップＳ２１において、燃料電池１の下流に設けた温度センサ１０によって燃料電池１の出口での冷媒温度Ｔ２を検出し、検出した温度Ｔ２が氷点よりも高いかどうか判断する。冷媒は燃料電池１と非常に効率良く熱交換を行うので、燃料電池１の下流の冷媒温度は、燃料電池１の温度とみなすことができる。冷媒の温度が氷点下ではないときには、燃料電池１内の温度も氷点下ではないと判断し、燃料電池１の暖機を行わない。氷点下のときには、ステップＳ２２へ進む。ステップＳ２２以降では、氷点下起動時における燃料電池１の暖機について説明する。

ステップＳ２２では、図示しないヒータなどによって燃焼触媒を用いた燃焼器８を水素が着火可能な温度になるまで温める。

水素を着火可能な温度まで暖機すると、ステップＳ２３において、三方弁２０ａ、２０ｂを調整し、水素タンク３とコンプレッサ２から配管２２、２３を通して燃焼器８への水素と空気の供給を開始する。ここで、水素と空気の流量は、燃焼器８で水素の燃焼による発熱量が単位時間に当たりに最大となる流量であり、燃焼器８で用いる触媒担体のサイズと触媒の反応温度と、熱交換器９の耐熱温度や昇温速度制限などにより予め決定されており、その流量はコントローラ３０に記憶されている。

ステップＳ２４では、ステップＳ２３において決定された水素流量と空気流量で燃焼器８において燃焼を開始し、発生した燃焼ガスを熱交換器９へ送り、熱交換器９において、燃焼ガスと冷媒との間で熱交換を開始する。これにより、燃料電池１へ流れる冷媒を温める。熱交換器９において冷却された燃焼ガスは熱交換器９から外部へ排出される。

ステップＳ２５では、温度センサ１０により燃料電池１の出口での冷媒温度Ｔ２を検出する。熱交換器９出口における冷媒温度Ｔ１を下記式（１）によって算出し、この温度Ｔ１を燃料電池入口温度とみなし、Ｔ１が目標値である氷点よりも高いかどうか判断する。氷点以上となるまで、この加熱状態を維持し、Ｔ１が氷点以上になるとステップＳ２６へ進む。

Ｔ１＝Ｗｔ÷（Ｖ×γ）＋Ｔ２（１）
Ｗｔ：単位時間当たりに熱交換器９で冷媒に与えられる最大加熱量、Ｖ：冷媒流量、γ：冷媒比熱
なお、ここでのＶはステップＳ２０で設定した冷媒ポンプ７によって流すことのできる最小流量とする。

ステップＳ２６では、三方弁２０ａ、２０ｂを調整して燃料電池１に水素と空気を供給し、燃料電池１で発電を開始する。燃料電池１には氷点以上の冷媒が流れ、少なくとも冷媒の入口付近では常に氷点以上となるので、冷媒の入口付近では燃料電池１の発電を持続することができる。また、この時の発電量は、氷点以上になっていない箇所において発電により生成された水が凍結しても、カソードを氷によって閉塞しない発電量である。冷媒を流すことによって入口付近から順次氷点以上になるので、凍結した場合でも冷媒の入口付近から順次解凍することができる。

ステップＳ２７では、温度センサ１０によって燃料電池１の出口での冷媒温度Ｔ２を検出し、Ｔ２が氷点よりも高いかどうか判断する。すなわち、燃料電池１が氷点よりも高いかどうか判断する。氷点下の場合はステップＳ２８へ進む。氷点下ではない場合は、燃料電池１の暖機が終了したと判断し、暖機制御を終了する。

ステップＳ２８では、ステップＳ２７で検出した燃料電池１の出口での冷媒温度Ｔ２と上記した式（１）とから、水素燃焼器８による加熱量をステップＳ２５で設定した加熱量として、式（１）を満たす冷媒の流量Ｖを算出し、冷媒ポンプ７によって冷媒の流量を増加する。その後ステップＳ２７へ戻り、燃料電池１の暖機が終了するまでこの制御を繰り返す。なお、冷媒の流量Ｖは冷媒ポンプ７が流すことのできる最大流量まで増加させる。（ステップＳ２５からステップＳ２８までが冷媒温度制御手段を構成する）。

以上のように、燃料電池１へ流入する冷媒の温度が氷点以上となった後に、燃料電池１の発電を開始し、燃料電池１の出口の冷媒温度によって冷媒流量を調整することで燃料電池１の発電を妨げずに冷媒を流し、燃料電池１を暖機することができる。

この制御による燃料電池１の温度変化を図３のタイムチャートを用いて説明する。ここでは第１実施形態を用いない場合の燃料電池の入口における冷媒温度を細線で示し、第１実施形態を用いた場合の燃料電池１の入口における冷媒温度を破線で示す。また、燃料電池の出口における冷媒温度を太線で示す。なお、冷媒の加熱量は同じ加熱量とする。

氷点下起動時に第１実施形態を用いずに、流量Ｑ（最大流量）の冷媒を燃料電池１へ流すと、燃料電池１の入口における冷媒の温度が氷点以上となるのはＡ点である。これに対して、第１実施形態を用い、燃料電池１へ流れる冷媒の流量を最小流量とすると、燃料電池１の入口における冷媒の温度（破線）が氷点以上となるのはＢ点となる。そして、燃料電池１の入口温度を氷点となるように流量を制御すると、Ａ点において冷媒流量はＱとなる。その後、第１実施形態を用いない場合と、用いる場合では同じ温度変化となる。また、燃料電池１の出口温度は第１実施形態を用いない場合と、用いる場合ではさほど変わらない。これは、加熱量を同じ加熱量とするので、燃料電池１を加熱する加熱量もほぼ同じとなるためである。これにより、燃料電池１の出口での冷却温度が氷点を超える時間は、さほど変わらないが、流量を調整することにより、第１実施形態を用いた方が、早く氷点を超える場合もある。なお、燃料電池１の出口における冷媒温度が氷点となると、通常起動に移行する。燃料電池１を素早く起動することで、燃料電池１の発電によって、ヒータなどの暖機装置を起動することができ、システム全体を素早く暖機することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

氷点下起動時に燃焼器８によって発生した熱で冷媒を加熱し、加熱された冷媒で燃料電池１を暖機する場合に、最初に冷媒の流量を冷媒ポンプ７の流すことのできる最小流量とするので、冷媒の温度を素早く上昇させることができ、燃料電池１へ十分に温められた冷媒を素早く供給することができ、燃料電池１を素早く起動することができる。

燃料電池１の氷点下起動時に燃料電池１へ流入する冷媒の温度が氷点以上となった後に燃料電池１を起動するので、燃料電池１には氷点以上の冷媒が常に流れ、一度反応を開始した燃料電池１は、再び氷点以下になることがなく、発電を継続することができる。

燃焼器８によって発生する発熱量を一定としたときに、冷媒の温度が上昇した場合には燃料電池１に流入する冷媒の流量を増やすことで、燃料電池１には氷点以上の冷媒を多く流すことができ、燃料電池１を素早く氷点以上にすることができる。

燃料電池１を素早く発電開始することができるので、燃料電池１によって発電された電力でヒータなどを起動することができ、燃料電池システム全体を素早く暖機することができる。

次に本発明の第２実施形態の構成を図４のブロック図を用いて説明する。第２実施形態については図１と異なる部分を中心に説明する。

この実施形態は、冷媒を加熱する手段として水素燃焼器８と熱交換器９の換わりに電気ヒータ１１を備えたもので、電気ヒータ１１は加熱配管５ｂの途中に介装する。これにより、電気ヒータ１１で温めた冷媒によって燃料電池１を暖機する。他の構成については第１実施形態と同じである。

次にコントローラ３０の制御について図５のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ５０とステップＳ５１は第１実施形態のステップＳ３０とＳ３１と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。

ステップＳ５２では、冷媒流量を冷媒ポンプ７が流すことのできる最小流量とする。また、電気ヒータ１１を起動して、冷媒の加熱を開始する。ここで、冷媒が氷点を超えるまでは、電気ヒータ１１の出力は最大出力とする。

ステップＳ５３では温度センサ１０によって燃料電池出口での冷媒温度Ｔ２を検出し、上記式（１）から燃料電池入口での冷媒温度Ｔ１を算出する。そしてＴ１が氷点を超えるとステップＳ５４へ進む。ここで、Ｗｔは単位時間当たりに電気ヒータ１１で発生する加熱量とする。なお、電気ヒータ１１によって発生する熱は冷媒に全て与えられるものとする。

ステップＳ５４では、燃料電池１に水素と空気を供給し、燃料電池１で発電を開始する。燃料電池１には氷点以上の冷媒が流れ、少なくとも冷媒の入口付近では常に氷点以上となるので、冷媒の入口付近では燃料電池１の発電を持続することができる。なお、この時の発電量は、氷点以上になっていない箇所において発電により生成された水が凍結しても、カソードを氷によって閉塞しない発電量である。冷媒を流すことによって入口付近から順次氷点以上になるので、凍結した場合でも冷媒の入口付近から順次解凍することができる。

ステップＳ５５では、温度センサ１０によって燃料電池１の出口での冷媒温度Ｔ２を検出し、Ｔ２が氷点よりも高いかどうか判断する。すなわち、燃料電池１が氷点よりも高いかどうか判断する。氷点下の場合はステップＳ５６へ進む。氷点下ではない場合は、燃料電池１の暖機が終了したと判断し、暖機制御を終了する。

ステップＳ５６では、ステップＳ５５で検出した燃料電池１の出口での冷媒温度Ｔ２と上記した式（１）とから、電気ヒータ１１の出力を燃料電池１の入口の冷媒温度Ｔ１が氷点を超えるような最小加熱量となるように制御する。これによって、電気ヒータ１１を起動するバッテリの消費電力を少なくすることができる。その後ステップＳ５５へ戻り、燃料電池１の暖機が終了するまでこの制御を繰り返す（ステップＳ５３からステップＳ５６までが冷媒温度制御手段を構成する）。

燃料電池１の入口での冷媒温度Ｔ１を式（１）によって算出したが、この代わりに温度センサを設け、温度センサによって冷媒温度を検出してもよい。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

氷点下起動時に、電気ヒータ１１によって燃料電池１を暖機する冷媒を加熱する場合に、燃料電池システムを車両のような移動体に搭載すると、搭載できるバッテリの容量が制限される。特に、温度が低いとバッテリの実質的な電力供給量は低下してしまう。第２実施形態では、冷媒流量を最小流量とし、冷媒温度が氷点を超えるまでは、電気ヒータ１１の出力を最大出力とすることで、素早く冷媒を温めることができ、氷点を超えた後は冷媒の温度を維持するように電気ヒータ１１の出力を下げるので、電気ヒータ１１を起動するバッテリの消費電力を抑えることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明は、燃料電池を氷点下で使用する場合に利用でき、特に素早い始動性を要求する燃料電池自動車に利用することができる。

本発明の第１実施形態の構成図である。本発明の第１実施形態のコントローラ３０が行うフローチャートである。本発明の第１実施形態の温度変化を示すタイムチャートである。本発明の第２実施形態の構成図である。本発明の第２実施形態のコントローラ３０が行うフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池
２コンプレッサ
３水素タンク
４ラジエータ（冷却手段）
５冷媒配管（循環回路）
７冷媒ポンプ（流量調整手段）
８水素燃焼器
９熱交換器（加熱手段）
１０温度センサ（温度検出手段）

Claims

燃料電池を循環し、冷媒によって前記燃料電池と熱交換可能な循環回路と、
前記冷媒を冷却する冷却手段と、
前記冷媒を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記冷媒の循環流量を調整する流量調整手段と、
前記燃料電池の前記冷媒の出口での冷媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池暖機時に前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、少なくと
も前記冷媒の循環流量と前記冷媒の加熱量のどちらか一方を制御し、前記燃料電池の前記
冷媒の入口付近における前記冷媒の温度が目標値以上となるように制御する冷媒温度制御
手段とを備え、
前記燃料電池システムの氷点下起動時に、前記冷媒温度制御手段は、前記燃料電池の前
記冷媒の入口付近における前記冷媒の温度が前記目標値以上となり前記燃料電池の発電を
開始した後に、前記燃料電池の前記冷媒の出口の温度が高くなるほど前記冷媒の循環流量
を大きくすることを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池を循環し、冷媒によって前記燃料電池と熱交換可能な循環回路と、
前記冷媒を冷却する冷却手段と、
前記冷媒を加熱する加熱手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記冷媒の循環流量を調整する流量調整手段と、
前記燃料電池の前記冷媒の出口での前記冷媒の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池暖機時に前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、少なくと
も前記冷媒の循環流量と前記冷媒の加熱量のどちらか一方を制御し、前記燃料電池の前記
冷媒の入口付近における前記冷媒の温度が目標値以上となるように制御する冷媒温度制御
手段とを備え、
前記燃料電池システムの氷点下起動時に、前記冷媒温度制御手段は、前記燃料電池の前
記冷媒の入口付近における前記冷媒の温度が前記目標値以上となり前記燃料電池の発電を
開始した後に、前記燃料電池の前記冷媒の出口の温度が高くなるほど前記加熱手段におけ
る前記冷媒の加熱量を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池システムの氷点下起動時に、前記冷媒温度制御手段は、前記燃料電池の前
記冷媒の入口付近における前記冷媒の温度が前記目標値以上となった後に、前記燃料電池
の前記冷媒の入口付近における前記冷媒の温度が前記目標値以上となる前記加熱手段の最
小加熱量で前記冷媒を加熱することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムの氷点下起動時に、前記冷媒温度制御手段は、前記燃料電池の前
記冷媒の入口付近における前記冷媒の温度が前記目標値以上となるまでは、前記前記加熱
手段の最大加熱量で前記冷媒を加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つ
に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池システムの氷点下起動時に、前記冷媒温度制御手段は、少なくとも前記燃
料電池の前記冷媒の入口付近における前記冷媒の温度が前記目標値以上となるまでは、前
記冷媒の循環流量を最小流量とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記
載の燃料電池システム。