JP2010244928A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、氷点下での起動時に燃料電池を通る冷媒の循環を停止させる場合において、燃料電池の過昇温の発生を抑制することを目的とする。
【解決手段】燃料電池を通る冷媒の循環を停止させた状態で該燃料電池を起動させたときは燃料ガスのストイキ比を低下させる（Ｓ１０４）。そして、この状態で燃料電池から排出された燃料ガスの温度が所定ガス温度以上となったときに、燃料電池を通る冷媒の循環を開始する（Ｓ１０５、Ｓ１０６）。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池スタック内に設けられた冷媒通路中の冷媒の温度が０℃以下である状態で該燃料電池スタックが起動されたときに、冷媒通路内における冷媒の循環とその停止とを交互に繰り返す技術が記載されている。この特許文献１においては、燃料電池スタックに流入する冷媒の温度を検出する温度センサ又は燃料電池スタックから流出した冷媒の温度を検出する温度センサによって冷媒通路内の冷媒の温度を測定する。

また、特許文献２には、燃料電池の内部の温度が０℃以下のときに、燃料電池の内部に設けられた冷媒流路に冷媒を通過させるポンプを停止させる技術が記載されている。

特開２００５−２７６５６８号公報 特開２００３−０３６８７４号公報 特開２００５−１２８３４６号公報

氷点下で燃料電池を起動させた場合、燃料電池内で生成された生成水が凍結し、発電を阻害する虞がある。そのため、このような場合は燃料電池を速やかに昇温させる必要がある。

ここで、起動時において燃料電池を通る冷媒の循環を停止させることで、該燃料電池を速やかに昇温させることが出来る。しかしながら、燃料電池に流入する又は燃料電池から排出された冷媒の温度に基づいて該燃料電池の温度を推定する場合、冷媒の循環を停止させると燃料電池内の温度を正確に推定することが困難となる。その結果、燃料電池を通る冷媒の循環を好適なタイミングで開始することが出来ず、燃料電池の過昇温を招く虞がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、氷点下での起動時に燃料電池を通る冷媒の循環を停止させる場合において、燃料電池の過昇温の発生を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

第一の発明では、燃料電池を通る冷媒の循環を停止させた状態で該燃料電池を起動させたときは燃料ガスのストイキ比を低下させる。そして、この状態で燃料電池から排出された燃料ガスの温度が所定ガス温度以上となったときに、燃料電池を通る冷媒の循環を開始する。

より詳しくは、第一の発明に係る燃料電池システムは、
燃料電池を通る冷媒の循環を制御する冷媒循環制御手段を備え、
氷点下で燃料電池を起動させるときは該燃料電池を通る冷媒の循環を停止させる燃料電池システムにおいて、
燃料電池における燃料ガスのストイキ比を制御するストイキ比制御手段と、
燃料電池から排出された燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度検出手段と、を更に備え、
燃料電池を通る冷媒の循環を停止させた状態で該燃料電池を起動させたときは、燃料電池を通して冷媒を循環させつつ該燃料電池を起動させたときに比べて燃料ガスのストイキ比を低下させ、且つ、この状態で燃料電池から排出された燃料ガスの温度が所定ガス温度以上となったときに、燃料電池を通る冷媒の循環を開始することを特徴とする。

ここで、所定ガス温度とは、燃料電池内の温度が冷媒による冷却が必要な温度に達していると判断できる閾値である。

燃料電池における燃料ガスの流量は酸化剤ガスの流量に比べて少ない。そのため、燃料電池内の温度が上昇した場合、燃料電池から排出される燃料ガスの温度は燃料電池から排出される酸化剤ガスの温度よりも速やかに上昇する。また、燃料ガスのストイキ比を低下させることで、該燃料ガスの昇温速度をさらに高くすることが出来る。そのため、燃料電池内と該燃料電池から排出された燃料ガスとの温度差をより小さくすることが出来る。

従って、本発明によれば、燃料電池を通る冷媒の循環を停止させて燃料電池を起動させた場合に、燃料電池を通る冷媒の循環をより好適なタイミングで開始することが可能となる。そのため、燃料電池の過昇温の発生を抑制することが出来る。

また、通常の温度状態であれば、燃料ガスのストイキ比を低下させるとカソード電極のカーボン酸化が生じ易くなる。しかしながら、氷点下においては、カーボン酸化の反応速度が十分に小さい。そのため、燃料ガスのストイキ比を低下させてもカソード電極のカーボン酸化による劣化を抑制することが出来る。

第二の発明は、燃料ガスのストイキ比を低下させた状態で燃料電池から排出された燃料ガスの温度に基づいて燃料電池内の温度を推定するものである。

より詳しくは、第二の発明に係る燃料電池システムは、
燃料電池を通る冷媒の循環を制御する冷媒循環制御手段を備え、
氷点下で燃料電池を起動させるときは該燃料電池を通る冷媒の循環を停止させる燃料電池システムにおいて、
燃料電池における燃料ガスのストイキ比を制御するストイキ比制御手段と、
燃料電池から排出された燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度検出手段と、
燃料電池を通る冷媒の循環を停止させた状態で該燃料電池を起動させたときは、燃料電池を通して冷媒を循環させつつ該燃料電池を起動させたときに比べて燃料ガスのストイキ比を低下させ、この状態で燃料電池から排出された燃料ガスの温度に基づいて燃料電池内の温度を推定する推定手段と、
を更に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池内の温度をより高い精度で推定することが出来る。そのため、より好適なタイミングで燃料電池を通る冷媒の循環を開始することが可能となり、以って、燃料電池の過昇温の発生を抑制することが出来る。

本発明においては、前記推定手段によって推定された燃料電池内部の温度が所定内部温度以上となったときに、燃料電池を通る冷媒の循環を開始するのが好ましい。ここで、所定内部温度とは、冷媒による冷却が必要と判断できる閾値である。

本発明によれば、氷点下での起動時に燃料電池を通る冷媒の循環を停止させる場合にお
いて、燃料電池の過昇温の発生を抑制することが出来る。

第一の実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第一の実施例に係る、氷点下で冷却水の循環を停止した状態で燃料電池スタックを起動させたときの燃料電池スタック内の温度、空気オフガスの温度、水素オフガス温度の推移を示す図である。 第一の実施例に係る、氷点下で燃料電池スタックを起動させたときの制御フローを示すフローチャートである。 第二の実施例に係る、氷点下で燃料電池スタックを起動させたときの制御フローを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
本発明の第一の実施例について図１〜３に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。尚、図１において、実線の矢印は、空気、水素ガス又は冷却水の流れを表している。

燃料電池スタック１は、セパレータを挟んで複数のセルが積層されることで構成されている。各セルは、電解質膜に一対の触媒電極層が形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode
Assembly）をガス拡散層で挟み込むことで構成されている。

各セパレータにはガス供給通路及び冷却水流路が形成されている。セパレータに形成されたガス供給通路からガス拡散層を介して、各セルのカソード電極には酸化剤ガスとして空気が供給され、各セルのアノード電極には燃料ガスとして水素ガスが供給される。

燃料電池スタック１における空気入口及び空気出口には、空気管２、３の一端がそれぞれ接続されている。空気ポンプ（図示略）によって空気が圧送されることで空気管２から燃料電池スタック１に空気が供給される。また、燃料電池スタック１において発電に供されなかった空気（以下、空気オフガスと称する）が空気管３に排出される。

燃料電池スタック１における水素ガス入口及び水素ガス出口には、水素ガス管４、５の一端がそれぞれ接続されている。水素ガス管４の他端は水素ガス供給装置６に接続されている。水素ガス供給装置６から水素ガス管４を通して燃料電池スタック１に水素ガス（又は水素混合ガス）が供給される。水素ガス管４には流量調整弁７が設けられている。燃料電池スタック１に供給される水素ガスの流量が該流量調整弁７によって制御される。

また、燃料電池スタック１において発電に供されなかった水素ガス（以下、水素オフガスと称する）が水素ガス管５に排出される。水素ガス管５の他端は、水素ガス管４における流量調整弁７よりも下流側に接続されている。

水素ガス管５には、水素オフガスの流れに沿って上流側から順に、水素ガス温度センサ１６、圧力調整弁８、気液分離器９及び水素ガス循環ポンプ１０が設けられている。

水素ガス温度センサ１６によって水素オフガスの温度が検出される。圧力調整弁８によ
って燃料電池スタック１の水素ガス出口の水素オフガス圧力が制御される。気液分離器９によって水素オフガスから液層成分が除去される。水素ガス循環ポンプ１０によって水素オフガスが水素ガス管４の方向に圧送される。これにより、液層成分が除去された水素オフガスが燃料電池スタック１に再供給される。水素ガス循環ポンプ１０によっても、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの流量が制御される。

上記のように、本実施例では、水素オフガスが燃料電池スタック１に再供給される水素オフガス循環経路が形成される。尚、水素ガス管５が水素ガス管４に接続されず、水素オフガス循環経路が形成されない構成であっても、本発明の適用は可能である。

更に、燃料電池スタック１には冷却水循環通路１１が接続されている。冷却水循環通路１１には、冷却水の流れに沿って上流側から順に、冷却水温度センサ１７、冷却水循環ポンプ１３及びラジエータ１２が設けられている。

冷却水循環ポンプ１３が駆動することで、冷却水循環通路１１及び燃料電池スタック１内のセパレータに設けられた冷却水流路を通って冷却水が循環する。このとき、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度が冷却水温度センサ１７によって検出される。

また、冷却水循環通路１１には、ラジエータ１２をバイパスするバイパス通路１４が接続されている。冷却水循環通路１１とバイパス通路１４の一端との接続部分には冷却水の循環経路を切り替える切り替え弁１５が設けられている。切り替え弁１５によってバイパス通路１４が開通された場合、冷却水はラジエータ１２を通らずにバイパス通路１４を通って循環する。

本実施例に係る燃料電池システムは、ＥＣＵ（Electric Control Unit）２０を備えて
いる。ＥＣＵ２０には、水素ガス温度センサ１６及び冷却水温度センサ１７等の各種センサが電気的に接続されている。これらのセンサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。そして、ＥＣＵ２０は、燃料電池スタック１内及び冷却水循環通路１１を通って冷却水が循環している場合、冷却水温度センサ１７の出力値に基づいて燃料電池スタック１内の温度を推定する。

また、ＥＣＵ２０には、水素ガス供給装置６、流量調整弁７、圧力調整弁８、水素ガス循環ポンプ１０、冷却水循環ポンプ１３及び切り替え弁１５が電気的に接続されている。これらがＥＣＵ２０によって制御される。

（燃料電池スタックの氷点下起動）
燃料電池スタック１を氷点下で起動させる場合、燃料電池スタック１内での生成水の凍結による発電の阻害を抑制するために、燃料電池スタック１を速やかに昇温させる必要がある。ここで、ラジエータ１２をバイパスさせて冷却水を循環させた場合であっても、冷却水循環通路１１及びバイパス通路１４内の冷却水が燃料電池スタック１内に供給されることになるため、燃料電池スタック１内の昇温が抑制されることになる。

そこで、本実施例においては、燃料電池スタック１を氷点下で起動させる場合、冷却水循環ポンプ１３の駆動を禁止し、冷却水の循環を停止させる。これにより、燃料電池スタック１をより速やかに昇温させることが出来る。

ここで、燃料電池スタック１の温度が過度に上昇すると、各セルの電解質膜における温度分布のばらつきが大きくなり、ドライアップ部分が発生する場合がある。ドライアップ部分が発生すると、ドライアップしていない部分に発電が集中することになる。その結果、電解質膜が損傷したり、燃料電池スタック１の破損が生じたりする虞がある。

そのため、冷却水の循環を停止した状態で燃料電池スタック１を起動させた場合、燃料電池スタック１の過昇温の発生を抑制すべく、燃料電池スタック１内の温度が十分に上昇したときには冷却水の循環を開始する必要がある。

しかしながら、冷却水の循環が停止されると、燃料電池スタック１から冷却水循環通路１１に冷却水が排出されなくなる。そのため、冷却水温度センサ１７の出力値に基づいて燃料電池スタック１内の温度を推定することが困難となる。

そこで、本実施例では、氷点下で冷却水の循環を停止した状態で燃料電池スタック１を起動させた場合、水素ガス温度センサ１６よって検出される水素オフガス温度に基づいて冷却水の循環開始のタイミングを決定する。さらに、このときに、冷却水の循環を行いつつ燃料電池スタック１を起動させる場合に比べて水素ガスのストイキ比を低下させる水素ストイキ比低下制御を実行する。

ここで、氷点下で冷却水の循環を停止した状態で燃料電池スタック１を起動させたときの燃料電池スタック１内の温度、空気オフガスの温度、水素オフガス温度の推移について図２に基づいて説明する。図２において、縦軸は温度を表しており、横軸は燃料電池スタック１の起動を開始した時点からの経過時間を表している。また、図２において、Ｌｃは燃料電池スタック１内の温度を表しており、Ｌａは空気オフガスの温度を表しており、Ｌｈ１は水素ストイキ比低下制御を実行していない場合の水素オフガス温度を表しており、Ｌｈ２は水素ストイキ比低下制御を実行した場合の水素オフガス温度を表している。

燃料電池スタック１内における水素ガスの流量は空気の流量に比べて少ない。 そのため、図２に示すように、燃料電池スタック１内の温度が上昇した場合、水素オフガスの温度は空気オフガスの温度よりも速やかに上昇する。また、水素ストイキ比を低下させると、水素オフガスの流量が減少するため、その昇温速度をさらに高くすることが出来る。そのため、燃料電池スタック１内と水素オフガスとの温度差をより小さくすることが出来る。

従って、上記のように、水素ストイキ比低下制御を実行した状態での水素オフガス温度に基づいて冷却水の循環開始のタイミングを決定することで、そのタイミングをより好適なものとすることが出来る。その結果、燃料電池スタック１の過昇温の発生を抑制することが出来る。

また、通常の温度状態であれば、水素ガスのストイキ比を低下させると、燃料電池スタック１の各セルにおけるカソード電極のカーボン酸化が生じ易くなる。しかしながら、氷点下においては、カーボン酸化の反応速度が十分に小さい。そのため、水素ストイキ比低下制御を実行してもカソード電極のカーボン酸化による劣化を抑制することが出来る。

（制御フロー）
以下、本実施例に係る、氷点下で燃料電池スタックを起動させたときの制御フローについて図３に示すフローチャートに基づいて説明する。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって実行される。

本フローでは、先ずステップＳ１０１において、燃料電池スタック１の起動要求があったか否かを判別する。起動要求があった場合、燃料電池スタック１への空気と水素ガスの供給が開始され、燃料電池スタック１での発電が開始される。そして、起動要求があった場合、次にステップＳ１０２の処理が実行される。

ステップＳ１０２においては、冷却水温度センサ１７によって検出される冷却水の温度Ｔｗが０℃以下であるか否か、即ち、氷点下での起動である否かが判別される。尚、冷却水の温度Ｔｗに代えて外気の温度に基づいて氷点下での起動である否かの判別をしてもよい。ステップＳ１０２において肯定判定された場合、次に、ステップＳ１０３の処理が実行される。

ステップＳ１０３においては、冷却水循環ポンプ１３の駆動が禁止される。

次に、ステップＳ１０４において、水素ストイキ比低下制御が実行される。ここで、水素ストイキ比低下制御としては、流量調整弁７又は水素ガス循環ポンプ１０によって燃料電池スタック１への水素ガスの供給量自体を減少させる制御や、圧力調整弁８によって燃料電池スタック１の水素ガス出口の水素オフガス圧力を上昇させることで燃料電池スタック１における水素利用率（発電に供される水素ガスの割合）を高める制御を例示することが出来る。

次に、ステップＳ１０５において、水素ガス温度センサ１６によって検出される水素オフガスの温度Ｔｈが所定ガス温度Ｔｈａ以上であるか否かを判別する。ここで、所定ガス温度Ｔｈａは、燃料電池スタック１内の温度が冷却水による冷却が必要な温度に達していると判断できる閾値である。該所定ガス温度Ｔｈａは実験等に基づいて予め定められており、ＥＣＵ２０に記憶されている。ステップＳ１０５において、肯定判定された場合、次にステップＳ１０６の処理が実行され、否定判定された場合、ステップＳ１０３の処理に戻る。

ステップＳ１０６においては、冷却水循環ポンプ１３の駆動が開始され、燃料電池スタック１内を通る冷却水の循環が開始される。

尚、本実施例においては、冷却水循環ポンプ１３及びそれを制御するＥＣＵ２０が本発明に係る冷却水循環制御手段に相当する。また、本実施例においては、流量調整弁７及び圧力調整弁８とそれらを制御するＥＣＵ２０が本発明に係るストイキ比制御手段に相当する。また、本実施例においては、水素ガス温度センサが燃料ガス温度検出手段に相当する。

＜実施例２＞
本発明の第二の実施例について図４に基づいて説明する。尚、ここでは、第一の実施例と異なる点についてのみ説明する。

（制御フロー）
以下、本実施例に係る、氷点下で燃料電池スタック１を起動させたときの制御フローについて図４に示すフローチャートに基づいて説明する。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって実行される。尚、本フローは、図３に示すフローのステップＳ１０５をステップＳ２０５及びＳ２０６に置き換えたものである。そのため、ステップＳ２０５及びＳ２０６の処理についてのみ説明する。

本フローでは、ステップＳ２０５において、水素ガス温度センサ１６によって検出される水素オフガスの温度Ｔｈに基づいて燃料電池スタック１内の温度Ｔｃを推定する。

次に、ステップＳ２０６において、燃料電池スタック１内の温度Ｔｃが所定内部温度Ｔｃａ以上であるか否かを判別する。ここで、所定内部温度Ｔｃａは、燃料電池スタック１を冷却水によって冷却する必要があると判断できる閾値である。該所定内部温度Ｔｃａは実験等に基づいて予め定められており、ＥＣＵ２０に記憶されている。ステップＳ２０６
において、肯定判定された場合、次にステップＳ１０６の処理が実行され、否定判定された場合、ステップ１０３の処理に戻る。

上記のように、水素ストイキ比低下制御を実行した状態では、水素オフガスの温度Ｔｈと燃料電池スタック１内の温度Ｔｃとの差が非常に小さい。そのため、ステップＳ２０５においては、燃料電池スタック１内の温度Ｔｃをより高い精度で推定することが出来る。

そして、このように推定された水素オフガスの温度Ｔｈに基づいて冷却水の循環開始のタイミングを決定することで、第一の実施例の場合と同様、そのタイミングをより好適なものとすることが出来る。その結果、燃料電池スタック１の過昇温の発生を抑制することが出来る。

尚、本実施例においては、上記フローにおけるステップＳ２０５の処理を実行するＥＣＵ２０が、本発明に係る推定手段に相当する。

１・・・燃料電池スタック
４、５・・・水素ガス管
６・・・水素ガス供給装置
７・・・流量調整弁
８・・・圧力調整弁
１０・・水素ガス循環ポンプ
１１・・冷却水循環通路
１３・・冷却水循環ポンプ
１６・・水素ガス温度センサ
１７・・冷却水温度センサ
２０・・ＥＣＵ

Claims (3)

1. 燃料電池を通る冷媒の循環を制御する冷媒循環制御手段を備え、
   氷点下で燃料電池を起動させるときは該燃料電池を通る冷媒の循環を停止させる燃料電池システムにおいて、
   燃料電池における燃料ガスのストイキ比を制御するストイキ比制御手段と、
   燃料電池から排出された燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度検出手段と、を更に備え、
   燃料電池を通る冷媒の循環を停止させた状態で該燃料電池を起動させたときは、燃料電池を通して冷媒を循環させつつ該燃料電池を起動させたときに比べて燃料ガスのストイキ比を低下させ、且つ、この状態で燃料電池から排出された燃料ガスの温度が所定ガス温度以上となったときに、燃料電池を通る冷媒の循環を開始することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池を通る冷媒の循環を制御する冷媒循環制御手段を備え、
   氷点下で燃料電池を起動させるときは該燃料電池を通る冷媒の循環を停止させる燃料電池システムにおいて、
   燃料電池における燃料ガスのストイキ比を制御するストイキ比制御手段と、
   燃料電池から排出された燃料ガスの温度を検出する燃料ガス温度検出手段と、
   燃料電池を通る冷媒の循環を停止させた状態で該燃料電池を起動させたときは、燃料電池を通して冷媒を循環させつつ該燃料電池を起動させたときに比べて燃料ガスのストイキ比を低下させ、この状態で燃料電池から排出された燃料ガスの温度に基づいて燃料電池内の温度を推定する推定手段と、
   を更に備えたことを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記推定手段によって推定された燃料電池内部の温度が所定内部温度以上となったときに、燃料電池を通る冷媒の循環を開始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。

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