JP5083603B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の自己発熱により燃料電池を急速昇温できる燃料電池システムに関する。

固体高分子型の燃料電池は、アノードに供給された燃料ガス中の水素とカソードに供給された酸化ガス中の酸素との化学反応によって、電力を発生する。この種の燃料電池は、一般に７０〜８０℃が発電に最適な温度域とされており、使用環境によっては燃料電池が起動してからこの温度域に達するために長い時間がかかる場合がある。

また、外部温度が低い場合には、燃料電池システムの停止後にその内部で発生した水が凍結し、配管や弁などが破損するという問題がある。また、一般に燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪く、特に、低温下においては所望の電圧／電流を供給することができずに機器を起動できないという問題もあった。

このような事情に鑑み、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、低温始動時に燃料電池から取り出す電流を増大させ、燃料電池の発電に伴う自己発熱を促進し（つまり、発熱量を増大させ）、通常運転よりも短時間で燃料電池を昇温する暖機運転を行うようにしている。かかる先行技術においては、燃料電池の内部温度が０℃を超えた段階で、暖機運転を終了して通常運転に移行している。
特開２００６−１０００９３号公報

しかしながら、燃料電池の内部温度が０℃を超えていても暖機が十分でなく、燃料ガスを供給する配管などが凍結している場合があった。このように、暖機が不十分な状態で通常運転に移行すると、燃料電池の発電が不安定になるおそれがある。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、低温始動時の燃料電池の発電を安定させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を自己発熱させる暖
機運転を行うことにより、通常運転に比して短時間で燃料電池を昇温するように構成され
た燃料電池システムにおいて、前記暖機運転を開始した後、前記燃料電池の関連温度が第
１閾値温度を超えたか否かを判断する判断手段と、判断手段が、燃料電池の関連温度が第１閾値温度を超えていると判断したときには、反応ガスが流通される配管の圧力損失を検知する検知手段と、検知される圧力損失が標準圧力損失範囲内にあるか否かを判断し、検知される圧力損失が標準圧力損失範囲内にないと判断したときには、暖機運転を継続する運転制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池の関連温度（外気温度や冷却水の温度など）のみならず、燃料ガスなどの反応ガスが流れる配管の圧力損失に基づいて、暖気運転を制御する。このため、燃料電池の内部温度が０℃を超えていても燃料ガスを供給する配管などが凍結している場合には、暖機運転を継続するなどして燃料電池の発電を安定させることができる。

ここで、上記構成にあっては、前記反応ガスは、燃料電池のアノードに供給される水素を含む燃料ガスであり、前記検知手段は、前記燃料ガスの循環路を形成する配管の圧力損失を検知する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記運転制御手段は、検知される圧力損失が標準圧力損失範囲内にないと判断した場合、前記暖機運転を前記第１閾値温度よりも高い第２閾値温度にまで昇温するように前記暖機運転を継続する態様がさらに好ましい。

以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、低温始動時の燃料電池の発電を安定させることが可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。先ず、本発明の燃料電池システムの概要について説明し、その上で、暖機運転を行う場合の制御について説明する。

Ａ．本実施形態
図１は、燃料電池システム１の構成図である。
燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両１００に搭載できる。ただし、燃料電池システム１は、車両１００以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給する冷媒配管系５と、システム１の電力を充放電する電力系６と、システム１の運転を統括制御する制御装置７と、を備える。酸化ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称できる。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、酸化ガスが燃料電池２をバイパスして流れるバイパス路１７と、を有する。供給路１１は、酸化ガス流路２ａを介して排出路１２に連通する。酸化オフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

供給路１１には、エアクリーナ１３を介して外気を取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により燃料電池２に圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられる。加湿器１５は、供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、排出路１２を流れる高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。

燃料電池２の空気極側の背圧は、カソード出口付近の排出路１２に配設された背圧調整弁１６によって調整される。背圧調整弁１６の近傍には、排出路１２内の圧力を検出する圧力センサＰ１が設けられる。酸化オフガスは、背圧調整弁１６及び加湿器１５を経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

バイパス路１７は、供給路１１と排出路１２とを接続する。バイパス路１７と供給路１１との供給側接続部Ｂは、コンプレッサ１４と加湿器１５との間に位置する。また、バイパス路１７と排出路１２との排出側接続部Ｃは、加湿器１５の下流側に位置する。バイパス路１７には、モータ又はソレノイドなどで駆動する開閉弁（シャット弁）であるバイパス弁１８が設けられる。バイパス弁１８は、制御装置７に接続されており、バイパス路１７を開閉する。なお、以下の説明では、バイパス弁１８の開弁により、バイパス弁１８を通ってバイパス路１７の下流へとバイパスされる酸化ガスを「バイパスエア」と称呼する。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有する。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁、及び遮断弁２８を経て、燃料電池２に供給される。パージ路２５には、水素オフガスを水素希釈器（図示省略）に排出するためのパージ弁３３が設けられている。

循環路２３には、循環系アノード圧力センサ（検知手段）Ｐ２が設けられている。循環系アノード圧力センサＰ２は、制御装置７による制御のもと、低温始動時（後述）の水素ガスの圧力を検知する。制御装置７は、循環系アノード圧力センサＰ２からのセンサ値に基づき、燃料ガス配管系４の圧力損失（以下、アノード系圧力損失）の変化を検知する（詳細は後述）。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有する。冷媒流路４１は、燃料電池２の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ４７と、を有する。温度センサ４７が検出する冷媒温度は、燃料電池２の内部温度（以下、燃料電池２の温度という。）を反映する。冷却ポンプ４２は、モータ駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４（動力発生装置）は、例えば三相交流モータである。トラクションモータ６４は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ，１０１Ｒに連結される。補機インバータ６５、６６、６７は、それぞれ、コンプレッサ１４、ポンプ２４、冷却ポンプ４２のモータの駆動を制御する。

制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、通常運転の制御及び後述する低効率運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置７は、各種の圧力センサ（Ｐ１，Ｐ２）や温度センサ（４６，４７）、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ５１、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサなどの各種センサからの検出信号を入力し、各構成要素（コンプレッサ１４、背圧調製弁１６及びバイパス弁１８など）に制御信号を出力する。また、制御装置７は、低温始動時など燃料電池２を暖機する必要がある場合には、ＲＯＭに格納されている各種マップを利用して暖機運転を行う。

電圧センサ７２は、燃料電池２が発電した電圧を検出する。具体的には、燃料電池２の多数の単セルの個々が発電する電圧（以下、「セル電圧」という。）は、電圧センサ７２によって検出される。これにより、燃料電池２の各単セルの状態が把握される。

ここで、暖機運転とは、燃料電池２を自己発熱させることで、通常運転に比して短時間で燃料電池２を昇温可能な運転をいう。このような暖機運転としては、通常運転に比して反応ガスを不足気味にして電力損失を大きくする低効率運転、すなわち燃料電池２の発電効率を低下させて発熱量を増やす低効率運転のほか、燃料電池２の出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる運転が挙げられる。なお、通常運転は比較的発電効率の高い運転であり、低効率運転は比較的発電効率の低い運転であるとも換言できる。以下では、暖機運転として、低効率運転を例に説明する。

図２は、燃料電池２の出力電流（以下、「ＦＣ電流」という。）と出力電圧（以下、「ＦＣ電圧」という。）との関係を示す図である。図２は、燃料電池システム１が通常運転を行った場合を実線で示し、低効率運転を行った場合を点線で示している。

燃料電池システム１を通常運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。

これに対し、燃料電池２を暖機する場合には、電力損失を大きくして燃料電池２の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０未満（理論値）に設定した状態で燃料電池２を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を行うと、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大される。このため、低効率運転を行うと、通常運転に比して短時間で燃料電池２を昇温でき、その暖機時間を短縮できる。

ここで、燃料電池システム１の運転終了時における制御について簡単に説明する。
車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＦＦ操作等によって、燃料電池システム１の運転停止が指令されると、制御装置７は、燃料電池システム２の通常運転を終了し、掃気処理を実行させる。

掃気処理とは、燃料電池システム２の運転終了時に、燃料電池２内の水分を外部に排出することで燃料電池２内を掃気することをいう。カソード系統（酸化ガス配管系３）の掃気処理は、燃料電池２への水素ガスの供給を停止した状態で、コンプレッサ１４によって酸化ガスを酸化ガス流路２ａに供給し、この供給した酸化ガスによって、酸化ガス流路２ａに残る生成水を含む水分を排出路１２へ排出することで行われる。そして、排気処理の終了後、燃料電池システム１の運転停止が完了し、燃料電池システム１は次の始動を待つ状態となる。なお、アノード系統（燃料ガス配管系４）の掃気処理も行われるが、ここでは詳細な説明を省略する。

図３は、制御装置７によって実行される始動処理を示すフローチャートである。
図３に示すように、例えば車両１００の運転手によるイグニッションスイッチのＯＮ操作等によって、燃料電池システム１の運転開始が指令されると、制御装置７は、低温始動による燃料電池２の急速昇温が必要であるか否かを判断する（ステップＳ１０）。

ここで、急速昇温が必要であるかどうかの判断は、外気温及び燃料電池２の温度の少なくとも一つに基づいて行われる。例えば、外気温センサ５１又は温度センサ４６の検出温度が所定の低温（例えば０℃以下）を超えるときには、急速昇温が必要でないと判断され（ステップＳ１０；Ｎｏ）、システムチェック等の終了後に「Ｒｅａｄｙ Ｏｎ」となる（ステップＳ６０）。つまり、制御装置７は、トラクションモータ６４の駆動を許可し、低効率運転が終了して通常運転を開始する。なお、「Ｒｅａｄｙ Ｏｎ」とは、トラクションモータ６４の駆動を許可すること、つまり車両１００の走行開始（発進）を許可することを意味する。

一方で、外気温センサ５１又は温度センサ４６の検出温度が所定の低温（例えば０℃）以下であるときには、急速昇温が必要であると判断して（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、暖機運転が開始される（ステップＳ２０）。このような場合に暖機運転を行うのは、燃料電池２の初期出力特性を向上させるためである。ここでの暖機運転として上記の低効率運転が実行され、燃料電池２が徐々に昇温される。

暖機運転を開始してから所定時間経過すると、制御装置（判断手段）７は、燃料電池２の温度（関連温度）が設定されている第１閾値温度を超えたか否かを判断する（ステップＳ３０）。第１閾値温度は、例えば、燃料電池２の残水の凍結を防止することができる氷点（０℃）に設定するなど、任意に設定すれば良い。この第１閾値温度は、製造出荷時などに制御装置７のメモリ（図示略）に記憶される。また、燃料電池２の温度の代わりに、外気温度や燃料電池２の周辺の部品温度（関連温度）を検知し、これらの温度が第１閾値温度を超えたか否かを判断しても良い。

制御装置７は、燃料電池２の温度が第１閾値温度未満である場合には（ステップＳ３０；Ｎｏ）、ステップＳ２０に戻って暖機運転を継続する。

一方、制御装置（検知手段）７は、燃料電池２の温度が第１閾値温度を超えていると判断すると（ステップＳ３０；Ｙｅｓ）、循環系アノード圧力センサＰ２を利用してアノード系圧力損失の検出を行う（ステップＳ４０）。図４は、ポンプ回転数と圧力損失の関係を例示した図であり、横軸はポンプ２４の回転数、縦軸はアノード系圧力損失を示す。ここで、燃料ガス配管系４に凍結などの異常（以下、凍結異常）が生じていない場合には、アノード系圧力損失は図４に点線で囲った領域（以下、標準圧力損失領域）内に収まる。標準圧力損失領域については、予め実験などによって求め、図４に示すような圧力損失異常判定マップとして制御装置７のメモリに記憶しておけば良い。

制御装置（運転制御手段）７は、例えば図４のＰ１に示すように、検出したアノード系圧力損失が標準圧力損失領域から外れていることを確認すると（ステップＳ５０；Ｎｏ）、燃料ガス配管系４に凍結異常が生じていると判断し、ステップＳ２０に戻って暖機運転を継続する。

一方、制御装置（運転制御手段）７は、検出したアノード系圧力損失が標準圧力損失領域内に収まっていることを確認すると（ステップＳ５０；Ｙｅｓ）、「Ｒｅａｄｙ Ｏｎ」して暖機運転を終了し（ステップＳ６０）、通常運転を開始する。

以上説明したように、本実施形態によれば、低効率運転にて暖機（急速昇温）を行う場合、アノード系圧力損失を監視し、燃料ガス配管系４に凍結異常が生じていないか否かを判断する。かかる判断結果に基づいて、暖機運転と通常運転の切り換えを制御することで、配管に凍結が生じたまま通常運転を行ってしまう等の問題を未然に抑制することができ、暖機運転終了後の燃料電池２の発電を安定させることが可能となる。

Ｂ．変形例
＜変形例１＞
本実施形態では、アノード系圧力損失を監視し、燃料ガス配管系４に凍結異常が生じていないか否かを判断したが、これに代えて（あるいは加えて）、カソード系圧力損失を監視し、酸化ガス配管系３に凍結異常が生じていないか否かを判断し、かかる判断結果に基づいて暖機運転と通常運転の切り換えを制御しても良い。

＜変形例２＞
図５は、変形例２に係る始動処理のフローチャートである。
図５に示す始動処理は、図４に示す始動処理にステップＳ３１、ステップＳ３２、ステップＳ５１を追加したものである。その他のステップは同一であるため、対応するステップには同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

制御装置７は、燃料電池２の温度が第１閾値温度を超えていると判断すると（ステップＳ３０；Ｙｅｓ）、ステップＳ３１に進み、アノード系圧力異常フラグが「ＯＮ」されているか否かを判断する。アノード系圧力異常フラグは、アノード系圧力損失が標準圧力損失領域内（図４参照）に収まっているか、外れているかを判断するためのフラグであり、アノード系圧力損失が標準圧力損失領域内に収まっている場合には制御装置７によって「ＯＦＦ」に設定され、アノード系圧力損失が標準圧力損失領域から外れている場合には制御装置７によって「ＯＮ」に設定される。なお、初期状態では、アノード系圧力異常フラグは「ＯＦＦ」に設定される。

制御装置７は、初期状態であることからアノード系圧力異常フラグが「ＯＦＦ」に設定されていると判断すると（ステップＳ３１；Ｎｏ）、ステップＳ４０に進み、アノード系圧力損失の検出を行う。制御装置７は、検出したアノード系圧力損失が標準圧力損失領域内に収まっているか否かを判断する（ステップＳ５０）。制御装置７は、該アノード系圧力損失が標準圧力損失領域内に収まっていると判断すると、ステップＳ６０に進み、「Ｒｅａｄｙ Ｏｎ」して暖機運転を終了し、通常運転を開始する。

一方、制御装置７は、アノード系圧力損失が標準圧力損失領域から外れていると判断すると、アノード系圧力異常フラグを「ＯＦＦ」から「ＯＮ」に切り換えた後（ステップＳ５１）、ステップＳ２０に戻り、暖機運転を継続する。この後、制御装置７は、ステップＳ２０→ステップＳ３０→ステップ３１と進み、アノード系圧力異常フラグが「ＯＮ」に設定されていると判断すると、ステップＳ３２に進み、燃料電池２の温度が第２閾値温度を超えたか否かを判断する。この第２閾値温度は、第１閾値温度（例えば０℃）よりも高い温度であり、好ましくは通常運転での燃料電池２の温度域（およそ６０〜８０℃）に含まれる温度に設定され、例えば７０℃に設定される。

制御装置（運転制御手段）７は、燃料電池２の温度が第２閾値温度未満であると判断した場合には（ステップＳ３２；Ｎｏ）、ステップＳ２０に戻り、上述した一連の処理を繰り返し実行する。一方、制御装置７は、燃料電池２の温度が第２閾値温度を超えたと判断すると（ステップｓ３２；Ｙｅｓ）、燃料ガス配管系４の凍結異常は解消されたものとみなしてステップＳ６０に進み、「Ｒｅａｄｙ Ｏｎ」して暖機運転を終了し、通常運転を開始する。
このように、アノード系圧力異常が認められた後は、通常運転時での燃料電池２の温度域（およそ６０〜８０℃）まで暖機運転を継続するようにしても良い。

＜変形例３＞
本実施形態では、循環系アノード圧力センサＰ２のセンサ値を利用してアノード系圧力損失を検出する場合について説明したが、これに代えて（あるいは加えて）、ポンプ２４の動力値からアノード系圧力損失を検知するようにしても良い。

実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示すグラフである。 実施形態に係る始動処理を示すフローチャートである。 実施形態に係るポンプ回転数と圧力損失の関係を例示した図である。 本発明の変形例２に係る始動処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・燃料電池システム、２・・・燃料電池、４・・・燃料ガス配管系、７・・・制御装置、２３・・・循環路、２４・・・ポンプ、Ｐ２・・・循環系アノード圧力センサ。

Claims (3)

1. 燃料電池を自己発熱させる暖機運転を行うことにより、通常運転に比して短時間で燃料電池を昇温するように構成された燃料電池システムにおいて、
   前記暖機運転を開始した後、前記燃料電池の関連温度が第１閾値温度を超えたか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段が、前記燃料電池の関連温度が前記第１閾値温度を超えていると判断したときには、反応ガスが流通される配管の圧力損失を検知する検知手段と、
   前記検知手段により検知される圧力損失が標準圧力損失範囲内にあるか否かを判断し、前記検知される圧力損失が前記標準圧力損失範囲内にないと判断したときには、前記暖機運転を継続する運転制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記反応ガスは、燃料電池のアノードに供給される水素を含む燃料ガスであり、
   前記検知手段は、前記燃料ガスの循環路を形成する配管の圧力損失を検知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. 前記運転制御手段は、検知される圧力損失が標準圧力損失範囲内にないと判断した場合、前記暖機運転を前記第１閾値温度よりも高い第２閾値温度にまで昇温するように前記暖機運転を継続することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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