JP5162808B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の暖機を実行するようにした燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池の暖機を実行するようにした燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１）。この従来の燃料電池システムでは、当該システムを停止させる際に、燃料電池を継続的に運転させ（暖機運転）、その運転中の電気化学反応による発熱を利用して当該燃料電池の温度を上昇させた後にその燃料電池の運転を停止させるようにしている。このような燃料電池システムによれば、運転停止後の燃料電池温度を比較的高く維持することができ、低温あるいは凍結による再起動特性の悪化の可能性を低減することができるようになる。
特開２００３−１５１６０１号公報 特開２００４−１５８３３３号公報 特開２００４−１７２０２５号公報 特開平１１−３４３９５１号公報 特開２００１−３１７９９１号公報 特開平１１−２１４０２５号公報 特開２００２−２４６０５３号公報
しかしながら、前述したような従来の燃料電池システムでは、そのシステムを停止させようとした際になされる燃料電池の暖機がいつ終了するかユーザが判断できない。このため、そのシステムを停止させる際に実行される暖機が正常なものであるのか、何らかの故障に起因したものであるのかをユーザが判断することができない。
本発明は、このような従来の問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の暖機が実行された際に、その暖機がいつ終了するかをユーザが判断できるようにした燃料電池システムを提供するものである。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、予め設定された暖機終了条件に達するまで前記燃料電池の暖機を実行する暖機実行制御手段と、前記暖機終了条件に達するまでの時間を推定する暖機時間推定手段と、前記暖機時間推定手段にて得られた前記時間に基づいた通知情報を出力する出力手段とを有する構成となる。
このような構成により、予め設定された暖機終了条件に達するまで燃料電池の暖機が実行される。その燃料電池の暖機が実行される際に、前記暖機終了条件に達するまでの時間として推定された時間に基づいた通知情報が出力される。
前記通知情報は、暖機条件に達するまでの時間に基づいた情報であれば特に限定されず、暖機終了条件に達するまでの時間そのものを表す情報であってもよいし、その時間に基づいて生成されるメッセージ情報、あるいは、その時間に応じた色、数字、マーク等の情報であってもよい。
前記燃料電池の暖機は、燃料電池以外の発熱源にてなされるものであっても、燃料電池の運転によるものであってもよい。後者の場合、本発明に係る燃料電池システムは、前記
暖機実行制御手段が、前記燃料電池の発電により暖機運転をさせる暖機運転制御手段を有する構成とすることができる。
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記暖機時間推定手段が、前記燃料電池の出力電圧及び出力電流に基づいて前記燃料電池の廃熱量を推定する廃熱量推定手段を有し、推定された前記燃料電池の廃熱量に基づいて前記暖機終了条件に達するまでの時間を推定する構成とすることができる。
このような構成により、燃料電池の発電により暖機運転させた場合に、暖機終了条件に達するまでの時間を比較的容易に推定することができるようになる。
更に、本発明に係る燃料電池システムは、前記暖機実行制御手段が、前記燃料電池の運転停止の要求がなされたときに、前記暖機を実行する構成とすることができる。
このような構成により、燃料電池の運転停止の要求がなされてから、燃料電池の暖機を終えてシステムが完全に停止するまでの時間を知ることができるようになるので、システムの停止時において、いつ完全に停止するかが判らないというユーザのイライラ感を取り除くことができるようになる。
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の暖機が実行される際に、前記暖機終了条件に達するまでの時間として推定された時間が通知されるので、その暖機がいつ終了するかをユーザが判断できるようになる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
本発明の実施の一形態に係る燃料電池システムは、図１に示すように構成される。この燃料電池システムは、例えば、車両の電動駆動源に対する電力供給源として利用される。
図１において、この燃料電池システムは、複数の単セルが積層された構造（スタック）となる燃料電池１０を有する。この燃料電池１０を構成する各単セルは、例えば、高分子電解質型のセル（ＰＥＦＣ）となっている。この燃料電池１０には冷却水循環系２０が設けられ、その冷却水循環系２０にウォータポンプ２１が設けられている。これにより、燃料電池１０内を水が循環され、燃料電池１０が冷却される。冷却水循環系２０には、その冷却水循環系２０内を流れる水の温度を検出する温度センサ１４が設けられると共に、その水を加熱する電熱ヒータ１５が設けられている。
また、この燃料電池システムは、燃料電池１０の出力電圧及び出力電流を検出する電圧・電流検出器１２及び制御ユニット３０を有している。制御ユニット３０は、電圧・電流検出器１２にて検出された燃料電池１０の出力電圧及び出力電流と、温度センサ１４からの検出温度を入力し、後述するような手法に従って、燃料電池１０に対する暖機が終了するまでの時間を推定演算する。また、制御ユニット（ＥＣＵ）３０には出力ユニット（例えば、表示ユニット、インジケータランプ、音声出力器等）３１が接続されており、制御ユニット３０は、推定演算された前記暖機が終了するまでの時間を出力ユニット３１から出力させる。
制御ユニット３０は、例えば、図２に示す手順に従って処理を実行する。
図２において、制御ユニット３０は、例えば、車両全体の制御システムから運転停止要
求を取得すると（Ｓ１）、温度センサ１４からの検出温度Ｔfcを取得し、その検出温度Ｔfcが暖機終了条件となる暖機終了温度閾値Tthより低いか否かを判定する（Ｓ２）。前記検出温度Ｔfcが暖機終了温度閾値Tthより低い場合（Ｓ２でＹＥＳ）、制御ユニット３０は、燃料電池１０に暖機運転をさせると共に、電熱ヒータ１５への給電制御を実行する（Ｓ３）。これにより、燃料電池１０の暖機（以下、停止後暖機という）が実施され、燃料電池１０は、運転停止要求があったにもかかわらず運転（発電動作）を継続的に実行し、電熱ヒータ１５の発熱により冷却水循環系２０内を循環する水が加熱される。これにより、燃料電池１０が暖められる。
燃料電池１０の停止後暖機が開始されると、制御ユニット３０は、温度センサ１４からの検出温度Ｔfcを取得し、その検出温度Ｔfcに基づいて、燃料電池１０の温度（検出温度Tｆｃ）が暖機終了温度閾値Tthに達するまでの時間を推定する。この推定は、例えば、次のようにして行なうことができる。
制御ユニット３０には、予め図３に示すような燃料電池１０の現在温度（検出温度Ｔfc）と、その温度から暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの時間との関係を表す参照マップが格納されている。この燃料電池１０の現在温度と暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの時間は、予め、実験的に求めておくものであっても、燃料電池１０の熱容量、冷却水循環系２０の熱容量、循環する水の熱容量、燃料電池１０の暖機運転中の廃熱量、電熱ヒータ１５の発熱量等に基づいて論理的に求めておくものであってもよい。図３に示す例では、例えば、検出温度Ｔfcが３０℃である場合、その検出温度Ｔfc（現在温度）から暖機終了閾値Ｔthに達するまでの推定時間が３００sec.に決定される。
制御ユニット３０は、前記のようにして決定した暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの推定時間に基づいて通知情報を生成し、その通知情報を出力ユニット３１に送る（Ｓ５）。この場合、通知情報は、前記推定時間そのものを表す情報を含み、出力ユニット３１からは、暖機終了温度閾値Tthに達するまでの時間、即ち、燃料電池１０の停止後暖機が終了するまでの時間（暖機終了時間）が出力される。出力ユニット３１は、例えば、表示装置で構成され、その表示装置に前記暖機終了時間が表示される。
暖機終了時間の出力ユニット３１からの出力がなされると、制御ユニット３０は、温度センサ１４から検出温度Ｔfcを再度取得し、その検出温度Ｔfcが暖機終了条件となる暖機終了温度閾値Ｔth以上となったか否かを判定する（Ｓ６）。前記検出温度Ｔfc（現在温度）がまだ暖機終了温度閾値Ｔthに達していなければ（Ｓ６でＮＯ）、制御ユニット３０は、前述した燃料電池１０の停止後暖機を継続させ（Ｓ３）、燃料電池１０の現在温度が暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの推定時間を前述した参照マップ（図３参照）から決定する（Ｓ４）。そして、制御ユニット３０は、その得られた推定時間に基づいた通知情報（暖機終了時間）を出力ユニット３１に送る（Ｓ５）。これにより、出力ユニット３１から出力される（例えば、表示される）暖機終了時間が更新される。以後、このような処理（Ｓ３乃至Ｓ６）を繰り返し実行し、その過程で得られた暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの時間が暖機終了時間として出力ユニット３１から順次更新出力される。
制御ユニット３０は、燃料電池１０の現在温度（検出温度Tｆｃ）が前記暖機終了温度閾値Ｔthに達すると（Ｓ６でＹＥＳ）、燃料電池１０の停止後暖機を終了させる。その結果、燃料電池１０の暖機運転が終了すると共に、電熱ヒータ１５の発熱動作が終了する。
前述したような燃料電池システムによれば、燃料電池の利用者、例えば、車両の運転者は、燃料電池システムを停止させるに際して、燃料電池１０の停止後暖機が継続的に行なわれていても、出力ユニット３１から出力される（表示される）暖機終了時間に基づいてその暖機が終了するまでの時間を把握することができる。その結果、ユーザは、そのシス
テムを停止させる際に実行される暖機が正常なものであるのか、何らかの故障に起因したものであるのかを判断することができるようになる。
前述した例では、図３に示す参照マップに基づいて暖機終了条件に達するまでの推定時間が決定されるものであったが、図４に示す燃料電池１０の電流・電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）を推定し、その電流・電圧特性から暖機終了条件に達するまでの時間、例えば、燃料電池１０の現在温度Ｔfcが暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの時間を推定することもできる。この場合、制御ユニット３０には、燃料電池システムにおける各部品（燃料電池１０、冷却水循環系２０、ウォータポンプ２１、電熱ヒータ１５等）の熱容量、冷却水流量等のシステム仕様情報及び暖機終了条件（暖機終了温度等）が予め設定されている。これらシステム仕様情報及び暖機終了条件は、システム構築時に制御ユニット３０に設定されるものであるが、暖機終了条件については、所定の入力ユニットを用いてユーザが制御ユニット３０に設定、更新することもできる。
図４において、特性Ｑｏは、燃料電池１０の内部抵抗だけを考慮して、出力電圧Ｖが理想出力電圧Ｖｏから出力電流Ｉに応じて直線的に低下するＩ−Ｖ特性を示している。燃料電池１０の実際の運転では、前記内部抵抗による損失だけでなく、各種の損失（カソード反応による損失、アノード反応による損失等）があるため、実際のＩ−Ｖ特性は、特性Ｑ１のように曲線状に変化するものとなる。このＩ−Ｖ特性Ｑ１は、燃料電池１０の温度Ｔに依存する。そして、Ｉ−Ｖ特性Ｑ１に従って出力電流Ｉの増加と共に低下する出力電圧Ｖと理想出力電圧Ｖｏとの差分が燃料電池１０での各種損失に起因するものであり、その損失は、燃料電池１０からの廃熱として表れる。この廃熱が燃料電池１０の暖機に利用される。
このような燃料電池１０の実際のＩ−Ｖ特性を考慮して、制御ユニット３０は、図２に示すステップＳ４での処理において、温度センサ１４からの検出温度Ｔfc（現在温度）、電圧・電流検出器１２にて検出された出力電圧Ｖ１及び出力電流Ｉ１に基づいて燃料電池１０のＩ−Ｖ特性Ｑ１を推定する。このＩ−Ｖ特性Ｑ１は燃料電池１０の温度に依存することから、燃料電池１０の現在温度（検出温度Ｔfc）、検出出力電圧Ｖ１及び検出出力電流Ｉ１からＩ−Ｖ特性Ｑ１を推定することは一般に可能である。
制御ユニット３０は、更に、推定されたＩ−Ｖ特性Ｑ１に従って変化する出力電圧Ｖと理想電圧Ｖｏとの差分に基づいて燃料電池１０の廃熱量を推定演算する。そして、その推定された燃料電池１０の廃熱量が得られると、制御ユニット３０は、次式に従って、暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの推定時間Δｔを演算する。
Figure 0005162808
 ＦＣ熱容量：燃料電池１０の熱容量
部品熱容量：燃料電池１０、電熱ヒータ１５、冷水循環系２０等の熱容量
ＦＣ廃熱量：燃料電池１０の廃熱量
ヒータ熱量：電熱ヒータ１５の発熱量
制御ユニット３０は、このようして得られた推定時間Δｔを前記暖機終了時間（通知情報）として出力ユニット３１に送る（図２におけるＳ５）。従って、前述した例と同様に、出力ユニット３１からは、順次更新される暖機終了時間が出力（例えば、表示）される。
前述した例では、システム停止時における暖機（停止後暖機）であったが、システム始動時において燃料電池１０の暖機を行なう場合においても、その暖機終了時間を車両の運転者等の利用者に通知するようにしてもよい。この場合、制御ユニット３０は、図５に示す手順に従って処理を実行する。
図５において、制御ユニット３０は、例えば、車両全体の制御システムから始動指示を取得すると（Ｓ１１）、温度センサ１４からの検出温度Ｔfcを取得し、その検出温度Ｔfcに基づいて燃料電池１０内の残留水分が凍結しているか否かを判定する（Ｓ１２）。制御ユニット１０は、燃料電池１０内の残留水分が凍結していると判定すると（Ｓ１２でＹＥＳ）、燃料電池１０の運転を行なうことなく、電熱ヒータ１５への給電制御を実行する（Ｓ１３）。これにより、電熱ヒータ１５の発熱によって燃料電池１０の暖機（以下、始動時暖機という）がなされる。そして、制御ユニット３０は、温度センサ１４からの検出温度Ｔfcに基づいて、前記式における「FC廃熱量」をゼロとした（削除した）式に従って暖機終了時間Δｔを演算する（Ｓ１４）。この暖機終了時間Δｔは、電熱ヒータ１４からの熱によって燃料電池１０が暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの推定時間を表す。
そして、制御ユニット３０は、その暖機終了時間Δｔを通知情報として出力ユニット３１に送る（Ｓ１８）。その結果、出力ユニット３１から前記暖機終了時間が出力される。制御ユニット３０は、その後、温度センサ１４からの検出温度Ｔfcが暖機終了温度閾値Ｔthに達したか否かを判定し（Ｓ１９）、前記検出温度Ｔfcが前記暖機終了温度閾値Ｔthに達していなければ（Ｓ１９でＮＯ）、再度、燃料電池１０内の残留水分が凍結しているか否かの判定を行なう（Ｓ１２）。以後、燃料電池１０内の残留水分が凍結していると判定がなされる（Ｓ１２でＹＥＳ）毎に、前述した処理（Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１８、Ｓ１９）が実行される。
その過程で、燃料電池１０内の残留水分が凍結していないとの判定がなされると（Ｓ１２でＮＯ）、制御ユニット３０は、更に、検出温度Ｔfcが暖機終了温度閾値Ｔthより小さいか否かを判定する（Ｓ１５）。そして、前記検出温度Ｔfcが前記暖機終了温度しきい値Ｔthより小さいとの判定がなされると（Ｓ１５でＹＥＳ）、制御ユニット３０は、燃料電池１０の運転を開始させ（Ｓ１６）、電熱ヒータ１４の発熱及び燃料電池１０の運転による始動時暖気が行なわれる。
以後、前述した処理（図２におけるＳ２乃至Ｓ６）に対応した処理（Ｓ１５乃至Ｓ１９）がなされる。その結果、出力ユニット３１からは、順次更新される暖機終了時間が出力される。これにより、車両の運転者等のユーザは、始動時暖機が終了するまでの時間を把握することができるようになる。そして、検出温度Ｔfc（燃料電池１０の現在温度）が暖機終了温度閾値Ｔthに達すると（Ｓ１９でＹＥＳ）、制御ユニット３０は、電熱ヒータ１４への給電を停止させ、始動時暖機が終了する。なお、燃料電池３０は、以後、通常の運転条件に基づいて運転を継続する。
なお、燃料電池システムでは、前述した停止後暖機及び始動時暖機の他、通常運転時に、燃料電池１０の保温を行うために暖機（保温暖機）を行なう場合がある。このような保温暖機の場合であっても、前述した処理（図２参照）に従って処理が実行されることにより、ユーザは、その保温暖機が終了するまでの時間を把握することができるようになる。
また、前述した各例では、燃料電池１０の現在温度（検出温度Ｔfc）が暖機終了温度閾値Ｔthに達するまでの時間（暖機終了時間）そのものを出力ユニット３１から出力するようにしたが、その時間の長さに応じた色のインジケータランプを点灯させるようにしても、また、その時間の長さに応じたマークを出力ユニット３１（表示装置）に表示させるようにしてもよい。これらの場合、ユーザは、そのインジケータランプの色や、表示される
マークによって燃料電池１０の暖機が終了するまでの時間を把握することができるようになる。また、その時間がゼロになるまで、警告ランプを点灯させるようにしてもよい。この場合、ユーザは、警告ランプの点灯の有無によって、燃料電池１０の暖機が継続中であるか否かを知ることができる。
また、前述した各例では、燃料電池１０を運転させることによって当該燃料電池１０の暖機を行なうようにしている（なお、図５に示す処理では、燃料電池１０が凍結している状態では電熱ヒータ１５による暖機であるが、その凍結が解消された場合には、燃料電池１０の運転を行なう）が、燃料電池１０を運転させることなく、外部のヒータによってのみ燃料電池１０の暖機を行なうこともできる。
前述した各例では、燃料電池１０の現在温度（検出温度Ｔfc）が暖機終了温度閾値Ｔthに達することを暖機終了条件としたが、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性が温度に依存することから、推定される燃料電池１０のＩ−Ｖ特性が所定特性になることを暖機終了条件とすることもできる。また、温度センサ１４は、冷却水循環系２０内に設けられていたが、燃料電池１０（スタック）に直接設けることもできる。
以上、説明したように、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の暖機が実行された際に、その暖機がいつ終了するかをユーザが判断できるようになるという効果を有し、燃料電池の暖機を実行するようにした燃料電池システムとして有用である。
本発明の実施の一形態に係る燃料電池システムを示す図である。 図１に示す燃料電池システムにおける制御ユニットでの処理の手順を示すフローチャートである。 暖機運転時間推定に用いられる燃料電池の検出温度と暖機運転時間との関係を示す図である。 燃料電池のＩ−Ｖ特性を示す図である。 図１に示す燃料電池システムにおける制御ユニットでの他の処理の手順を示すフローチャートである。
符号の説明
１０ 燃料電池ユニット
１２ 電圧・電流検出器
１４ 温度センサ
１５ 電熱ヒータ
２０ 冷却水循環系
２１ ウォータポンプ
３０ 制御ユニット
３１ 出力ユニット

Claims (2)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池の運転停止の要求がなされたときに、予め設定された暖機終了条件である暖機終了温度閾値に達するまで前記燃料電池の発電により前記燃料電池の停止後暖機を実行する暖機実行制御手段と、
    前記暖機終了温度閾値に達し前記停止後暖機が完了するまでの時間を推定する暖機時間推定手段と、
    前記暖機時間推定手段にて得られた前記時間に基づいた通知情報を出力する出力手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記暖機時間推定手段は、前記燃料電池の出力電圧及び出力電流に基づいて前記燃料電池の廃熱量を推定する廃熱量推定手段を有し、
    推定された前記燃料電池の廃熱量に基づいて前記暖機終了温度閾値に達するまでの時間を推定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。
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