JP2010257635A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、氷点下で燃料電池を起動させるときに燃料電池スタックを通る冷媒の循環を停止させる場合において、燃料電池スタックの過昇温の発生を抑制することを目的とする。
【解決手段】燃料電池スタックの構造が定寸締結構造であり、燃料電池スタックを通る冷媒の循環を停止させた状態で燃料電池を起動させた場合、燃料電池スタックの締結荷重に基づいて燃料電池スタック内部の温度を推定する。そして、推定された燃料電池スタック内部の温度が所定温度以上となったときに、燃料電池スタックを通る冷媒の循環を開始する。
【選択図】図４

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２００３−１７３８０５号公報

氷点下で燃料電池を起動させた場合、燃料電池スタック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スタック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スタックを通る冷媒の循環を停止させることで、該燃料電池スタックを速やかに昇温させることが出来る。しかしながら、燃料電池スタックに流入する又は燃料電池スタックから排出された冷媒の温度に基づいて該燃料電池スタック内部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スタック内部の温度を正確に推定することが困難となる。その結果、燃料電池スタック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、燃料電池スタック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、氷点下で燃料電池を起動させるときに燃料電池スタックを通る冷媒の循環を停止させる場合において、燃料電池スタック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。

第一の発明に係る燃料電池システムは、
燃料電池スタック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燃料電池スタック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、
燃料電池スタックの構造が定寸締結構造であり、
燃料電池スタックの締結荷重を取得する締結荷重取得手段と、
前記締結荷重取得手段によって取得された燃料電池スタックの締結荷重に基づいて燃料電池スタック内部の温度を推定する温度推定手段と、を更に備え、
燃料電池スタックを通る冷媒の循環を停止させた状態で燃料電池を起動させた場合、前記温度推定手段によって推定された燃料電池スタック内部の温度が所定温度以上となった
ときに、燃料電池スタック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。

燃料電池スタックの構造が定寸締結構造の場合、燃料電池スタックの温度が上昇すると、燃料電池スタックの締結荷重が増加する。そのため、燃料電池スタックの締結荷重に基づいて燃料電池スタック内部の温度を推定することが出来る。

本発明によれば、燃料電池スタック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、燃料電池スタック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る。その結果、燃料電池スタックの過昇温の発生を抑制することが可能となる。

第二の発明に係る燃料電池システムは、
燃料電池スタック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燃料電池スタック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、
燃料電池スタックの構造が定荷重締結構造であり、
燃料電池スタックの寸法を取得する寸法取得手段と、
前記寸法取得手段によって取得された燃料電池スタックの寸法に基づいて燃料電池スタック内部の温度を推定する温度推定手段と、を更に備え、
燃料電池スタックを通る冷媒の循環を停止させた状態で燃料電池を起動させた場合、前記温度推定手段によって推定された燃料電池スタック内部の温度が所定温度以上となったときに、燃料電池スタックを通る冷媒の循環を開始することを特徴とする。

本発明においても、所定温度とは、冷媒による冷却が必要と判断できる閾値である。

燃料電池スタックの構造が定荷重締結構造の場合、燃料電池スタックの温度が上昇すると、燃料電池スタックが膨張し、その寸法が大きくなる。そのため、燃料電池スタックの寸法に基づいて燃料電池スタック内部の温度を推定することが出来る。

本発明によっても、燃料電池スタック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、燃料電池スタック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る。その結果、燃料電池スタックの過昇温の発生を抑制することが可能となる。

本発明によれば、氷点下で燃料電池を起動させるときに燃料電池スタックを通る冷媒の循環を停止させる場合において、燃料電池スタックの過昇温の発生を抑制することが出来る。

実施例１に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 実施例１に係る燃料電池の概略構成を示す図である。 実施例１に係る、氷点下で冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池を起動させたときの燃料電池スタックの締結荷重Ｐｓと燃料電池スタック内部の温度Ｔｓとの関係を示す図である。 実施例１に係る氷点下で燃料電池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。 実施例２に係る燃料電池の概略構成を示す図である。 実施例２に係る氷点下で燃料電池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１〜４に基づいて説明する。

（概略構成）
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。図２は、本実施例に係る燃料電池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１は固体高分子型燃料電池である。燃料電池１には、空気入口、空気出口、水素ガス入口及び水素ガス出口が形成されている。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。空気管２から燃料電池１に酸化剤ガスとして空気が供給される。また、燃料電池１において発電に供されなかった空気が空気管３に排出される。

燃料電池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から燃料電池１に燃料ガスとして水素ガス（又は水素混合ガス）が供給される。また、燃料電池１において発電に供されなかった水素ガスが水素ガス管５に排出される。

燃料電池１は、燃料電池スタック６、一対のエンドプレート３０、一対のテンションプレート３１、一対のインシュレータ３３、一対のターミナル３４及びロードセル３５を備えている。燃料電池スタック６は複数のセル７が積層されることで構成されている。各セル７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み、さらにその外側からセパレータで挟み込むことで構成され
ている。

図２に示すように、燃料電池スタック６は、ターミナル３４及びインシュレータ３３を挟んで、エンドプレート３０によって挟持されている。さらに、一方のインシュレータ３３とエンドプレート３０との間にはロードセル３５が挟み込まれている。そして、各エンドプレート３０の一端に一方のテンションプレート３１の一端と他端とがボルト３２によってそれぞれ結合され、各エンドプレート３０の他端に他方のテンションプレート３１の一端と他端とがボルト３２によってそれぞれ結合されることで、各セル７が積層方向に締結されている。このような構造とすることで、本実施例に係る燃料電池１は、燃料電池スタック６の積層方向の寸法が定寸である定寸締結構造となっている。

また、燃料電池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１を通って冷却水が循環する。燃料電池１においては、燃料電池スタック６における各セル７のセパレータに形成された冷却水通路を通って冷却水が流れる。冷却水温度センサ１７は、燃料電池１から排出された冷却水の温度を検出する。

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、ロードセル３５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。また、ＥＣＵ２０は、燃料電池１（燃料電池スタック６）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６内部の温度を推定する。

また、ＥＣＵ２０には、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。

（燃料電池の氷点下起動）
燃料電池１を氷点下で起動させる場合、燃料電池スタック６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６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６内に供給されることになるため、燃料電池スタック６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６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６の温度が過度に上昇すると、各セル７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６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１を起動させた場合、燃料電池スタック６の過昇温の発生を抑制すべく、燃料電池スタック６内部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６内部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１を起動させた場合、ロードセル３５の検出値に基づいて燃料電池スタック６の締結荷重を算出する。そして、その算出値に基づいて燃料電池スタック６内部の温度を推定する。

上述したように、本実施例に係る燃料電池スタック６の構造は定寸締結構造となっている。そのため、燃料電池スタック６の温度が上昇することによって生じる該燃料電池スタック６の膨張エネルギは該燃料電池スタック６の締結荷重の上昇に転換される。従って、燃料電池スタック６の締結荷重に基づいて燃料電池スタック６内部の温度を推定することが出来る。

そして、推定された燃料電池スタック６内部の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、これにより、より好適なタイミングで冷却水の循環を開始することが出来る。その結果、燃料電池スタック６の過昇温の発生を抑制することが出来る。

尚、本実施例では、氷点下で冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池１を起動させたときの燃料電池スタック６の締結荷重と燃料電池スタック６内部の温度との関係を実験等に基づいて予め求めておく。そして、それらの関係をマップとしてＥＣＵ２０に記憶しておき、該マップを用いて燃料電池スタック６内部の温度を導出する。

図３は、本実施例に係る、氷点下で冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池１を起動させたときの燃料電池スタック６の締結荷重Ｐｓと燃料電池スタック６内部の温度Ｔｓとの関係を示す図である。図３において、縦軸は燃料電池スタック６の締結荷重Ｐｓを表しており、横軸は燃料電池スタック６内部の温度Ｔｓを表している。

図３においては、実線が本実施例に係る両者の関係を示している。また、図３において、破線は燃料電池スタック６における各セル７の電解質膜の含水量が比較的多い場合を示しており、一点鎖線は燃料電池スタック６における各セル７の電解質膜の含水量が比較的少ない場合を示している。

各セル７の電解質膜はその含水量に応じて膨潤又は収縮する。そのため、図３において破線と一点鎖線とで示すように、燃料電池スタック６の締結荷重Ｐｓと燃料電池スタック６内部の温度Ｔｓとの関係が電解質膜の含水量に応じて変化する。そこで、図３において実線で示すような、氷点下で冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池１を起動させたときの両者の関係を予め求めておき、その関係に基づいて燃料電池スタック６内部の温度Ｔｓを推定する。これにより、その推定精度をより高くすることが出来る。

また、電解質膜の材料として、含水量の変化に応じた体積変化が小さい材料を選択することによっても、上記方法による燃料電池スタック６内部の温度の推定精度を向上させることが出来る。

（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。

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６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６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６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、ロードセル３５の検出値に基づいて燃料電池スタック６の締結荷重Ｐｓを算出する。

次に、ステップＳ１０５において、燃料電池スタック６の締結荷重Ｐｓを上記マップに代入することで燃料電池スタック６内部の温度Ｔｓを導出する。

次に、ステップＳ１０６において、燃料電池スタック６内部の温度Ｔｓが所定温度Ｔｓａ以上であるか否かを判別する。ここで、所定温度Ｔｓａは、冷却水による冷却が必要と判断できる閾値である。該所定温度Ｔｓａ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Ｓ１０６において、肯定判定された場合、次にステップＳ１０７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Ｓ１０７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６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、ロードセル３５及び上記フローにおけるステップＳ１０４を実行するＥＣＵ２０が本発明に係る締結荷重取得手段に相当し、上記フローにおけるステップＳ１０５を実行するＥＣＵ２０が本発明に係る温度推定手段に相当する。

また、本実施例においては、インシュレータ３３とエンドプレート３０との間に挟み込まれるセンサは、ロードセルに限られるものではなく、当該部分の圧力の検出が可能なものであればよい。例えば、ロードセル３５に代えてピエゾ型圧力センサ等を用いてもよい。

＜実施例２＞
本発明の第二の実施例について図５、６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。

（概略構成）
図５は、本実施例に係る燃料電池の概略構成を示す図である。本実施例に係る燃料電池１も、第一の実施例と同様、固体高分子型燃料電池であるが、第一の実施例と異なり、その構造が燃料電池スタック６の締結荷重が定圧である定圧締結構造となっている。

本実施例に係る燃料電池１は、ロードセル３５を備えておらず、代わりに複数のスプリング３６及び超音波距離測定装置３７が図５に示すような位置に設けられている。スプリング３６は、燃料電池スタック６を積層方向に付勢すると共に、燃料電池スタック６の締結荷重を緩和する。つまり、本実施例に係る燃料電池１においては、燃料電池スタック６の温度が上昇すると、その積層方向の寸法が増加し、その締結荷重は略一定に維持されるようになっている。

超音波距離測定装置３７は、エンドプレート３０におけるインシュレータ３３と向かい合う面に設けられており、該超音波距離測定装置３７自体とインシュレータ３３との間の積層方向における距離Ｌｉを検出する。超音波距離測定装置３７は、ＥＣＵ２０と電気的に接続されており、その出力信号がＥＣＵ２０に入力される。

（燃料電池の氷点下起動）
本実施例においても、第一の実施例と同様、燃料電池１を氷点下で起動させる場合、燃料電池スタック６を速やかに昇温させるべく、燃料電池スタック６を通る冷却水の循環を停止させる。そして、燃料電池スタック６内部の温度が十分に上昇してから冷却水の循環を開始する。このとき、超音波距離測定装置３７の検出値（距離Ｌｉ）に基づいて燃料電
池スタック６の積層方向の寸法を算出する。そして、その算出値に基づいて、燃料電池スタック６を通る冷却水の循環を停止させているときの燃料電池スタック６内部の温度を推定する。

第一の実施例と同様、上記のように推定された燃料電池スタック６内部の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、より好適なタイミングで冷却水の循環を開始することが出来る。その結果、燃料電池スタック６の過昇温の発生を抑制することが出来る。

尚、燃料電池スタック６の積層方向の寸法と燃料電池スタック６内部の温度との関係は電解質膜の含水量に応じて変化する。そこで、本実施例においても、第一の実施例のように燃料電池スタック６の締結荷重に基づいて燃料電池スタック６内部の温度を推定する場合と同様、氷点下で冷却水の循環を停止させた状態で燃料電池１を起動させたときの燃料電池スタック６の積層方向の寸法と燃料電池スタック６内部の温度との関係を実験等に基づいて予め求めておく。そして、それらの関係をマップとしてＥＣＵ２０に記憶しておき、該マップを用いて燃料電池スタック６内部の温度を導出する。これにより、その推定精度をより高くすることが出来る。

また、本実施例においても、電解質膜の材料として、含水量の変化に応じた体積変化が小さい材料を選択することで、燃料電池スタック６内部の温度の推定精度を向上させることが出来る。

（制御フロー）
以下、本実施例に係る氷点下で燃料電池を起動させたときの制御フローについて図６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４に示すフローにおけるステップＳ１０４及びＳ１０５をステップＳ２０４及びＳ２０５に置き換えたものである。そのため、ステップＳ２０４及びＳ２０５の処理についてのみ説明し、その他のステップの処理についての説明は省略する。

本フローでは、ステップＳ１０３において冷却水循環ポンプ１３の駆動を禁止した後、ステップＳ２０４の処理が実行される。ステップＳ２０４においては、超音波距離測定装置３７の検出値に基づいて燃料電池スタック６の積層方向の寸法Ｌｓを算出する。

次に、ステップＳ２０５において、燃料電池スタック６の積層方向の寸法Ｌｓを上記マップに代入することで燃料電池スタック６内部の温度Ｔｓを導出する。その後、ステップＳ１０６の処理を実行する。

尚、本実施例においては、超音波距離測定装置３７及び上記フローにおけるステップＳ２０４を実行するＥＣＵ２０が本発明に係る寸法取得手段に相当し、上記フローにおけるステップＳ２０５を実行するＥＣＵ２０が本発明に係る温度推定手段に相当する。

また、本実施例においては、超音波距離測定装置３７に代えて、エンドプレート３０とインシュレータ３３との間の積層方向における距離を検出することが可能な他のセンサを設けてもよい。また、超音波距離測定装置３７に代えて、燃料電池スタック６の積層方向の寸法を直接検出することが可能なリニアエンコーダ等を用いてもよい。

１・・・燃料電池
２、３・・空気管
４、５・・水素ガス官
６・・・燃料電池スタック
７・・・セル
１１・・冷却水循環通路
１３・・冷却水循環ポンプ
２０・・ＥＣＵ
３０・・エンドプレート
３１・・テンションプレート
３３・・インシュレータ
３４・・ターミナル
３５・・ロードセル
３６・・スプリング
３７・・超音波距離測定装置

Claims (2)

1. 燃料電池スタック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燃料電池スタック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、
   燃料電池スタックの構造が定寸締結構造であり、
   燃料電池スタックの締結荷重を取得する締結荷重取得手段と、
   前記締結荷重取得手段によって取得された燃料電池スタックの締結荷重に基づいて燃料電池スタック内部の温度を推定する温度推定手段と、を更に備え、
   燃料電池スタックを通る冷媒の循環を停止させた状態で燃料電池を起動させた場合、前記温度推定手段によって推定された燃料電池スタック内部の温度が所定温度以上となったときに、燃料電池スタック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. 燃料電池スタック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燃料電池スタック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、
   燃料電池スタックの構造が定荷重締結構造であり、
   燃料電池スタックの寸法を取得する寸法取得手段と、
   前記寸法取得手段によって取得された燃料電池スタックの寸法に基づいて燃料電池スタック内部の温度を推定する温度推定手段と、を更に備え、
   燃料電池スタックを通る冷媒の循環を停止させた状態で燃料電池を起動させた場合、前記温度推定手段によって推定された燃料電池スタック内部の温度が所定温度以上となったときに、燃料電池スタック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。

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