JP4578890B2 - 燃料電池システムの始動方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの始動方法に関するものである。

従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード（燃料極）とカソード（空気極）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタック（以下において燃料電池と呼ぶ）を備えている。アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。

一般に、この種の燃料電池の作動温度は７０℃〜８０℃程度とされているが、低温時においては発電効率が低下するため低温時における始動性が大きな課題となっている。したがって、燃料電池を車両用として用いた場合に、外気温が低い状態、例えば、氷点下で起動しようとすると始動までに時間がかかるという問題がある。

これに対して、例えば、特許文献１には、燃料電池スタックを循環する熱交換媒体の流路に暖機用ヒータ（この場合はバーナ９４）を備え、該暖機用ヒータにより熱交換媒体を加熱して燃料電池スタック内に流入させることで、燃料電池スタックを加熱する技術が提案されている。
特開平９−２９３５２６号公報

しかしながら、従来の技術においては、熱交換媒体を一定温度に加熱して所定流量を燃料電池スタックに供給する構成となっているため、熱交換媒体の熱量が燃料電池スタックに十分に伝達されない場合がある。その結果、燃料電池スタックの温度上昇の障害となったり、無駄に熱エネルギーが拡散してしまう、という問題がある。

従って、本発明は、熱交換媒体の熱エネルギーを効率よく燃料電池スタックに伝達し、燃料電池スタックの温度を迅速に上昇することができる燃料電池システムの始動方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池スタックに熱交換媒体を流通させて燃料電池スタックを温度制御する燃料電池システムの始動方法であって、前記燃料電池スタックを起動した後、前記燃料電池スタックの熱交換媒体出口側の温度の変化率が所定変化率未満である第１モードでは、前記熱交換媒体の流量を所定の第１流量に設定し、前記熱交換媒体出口側の温度の変化率が前記所定変化率以上であり、前記燃料電池スタックの熱交換媒体入口側の温度と前記熱交換媒体出口側の温度との差が所定値以上である第２モードでは、前記熱交換媒体の流量を所定の第２流量に設定し、前記熱交換媒体入口側の温度と前記熱交換媒体出口側の温度との差が所定値未満である第３モードでは、前記熱交換媒体の流量を所定の第３流量に設定することを特徴とする。

この発明によれば、前記熱交換媒体の流量をそれぞれのモードに適した流量に設定することができる。すなわち、燃料電池スタックの加温の必要性の高い第１モードや第２モードでは前記熱交換媒体の流量を多めに設定することで、燃料電池スタックの温度をより迅速に上昇することができ、燃料電池スタックの加温の必要性の低下した第３モードでは前記熱交換媒体の流量を少なめに設定することで、前記熱交換媒体を前記燃料電池スタック内に流通させる手段の消費電力を減少させるとともに、前記熱交換媒体の熱エネルギーの拡散を抑制できるので、消費電力を減少させることができる。特にハイブリッド車両に燃料電池システムを搭載した場合には燃費向上にも寄与することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記第２流量は前記第１流量以上であり、前記第１流量は前記第３流量よりも大きいことを特徴とする。
この発明によれば、前記第１モードで、低温下で高い粘度を有する前記熱交換媒体を前記燃料電池スタック内に流通させる手段に対する高い負荷から保護しつつ前記燃料電池スタックの温度上昇を図ることができる。また、前記第２モードでは前記熱交換媒体の粘度を低下した状態で前記燃料電池スタックの温度を迅速に上昇させることができる。さらに、前記第３モードでは前記燃料電池スタックの温度を上昇させつつ前記熱交換媒体の熱エネルギーの拡散を抑制することができ、消費電力を減少させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記熱交換媒体の流量は、前記熱交換媒体の圧力に基づいてフィードバック制御を行って設定することを特徴とする。
この発明によれば、前記熱交換媒体の流量を迅速に適正化することができ、よりきめ細かな制御を行うことが可能となる。

請求項１に係る発明によれば、前記熱交換媒体の流量をそれぞれのモードに適した流量に設定することができる。
請求項２に係る発明によれば、前記燃料電池スタックの温度を迅速に上昇させることができる。前記熱交換媒体の熱エネルギーの拡散を抑制することができ、消費電力を減少させることができる。
請求項３に係る発明によれば、前記熱交換媒体の流量を迅速に適正化することができ、よりきめ細かな制御を行うことが可能となる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムの始動方法を図面と共に説明する。図１は本発明の実施の形態における燃料電池スタック２を備える燃料電池システム１の概略構成図である。燃料電池スタック２は、スルフォン酸系電解質材料からなる固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで両側から挟み込んでなる単位セル（図示せず）を、所定数積層配置した構成を備えている。

このように構成された各セルの燃料極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、空気極に酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して空気極まで移動して、空気極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。

燃料電池システム１は、高圧燃料タンク等の燃料供給装置を備え、燃料供給流路を介して各セルの燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気供給装置であるコンプレッサ（圧縮機）を備え、コンプレッサにより圧縮された空気を、空気供給流路を介して各セルの空気極に供給する。これらの部材については図示を省略する。

また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２に接続されてなる熱交換媒体循環流路３を備えている。この熱交換媒体循環流路３を介して熱交換媒体（例えば油）が燃料電池スタック２内を流通する。熱交換媒体は、燃料電池スタック２の低温時には加熱媒体として作用し、燃料電池スタック２の発電時には発電による温度上昇を抑制する冷却媒体として作用する。熱交換媒体循環流路３にはポンプ４が配設されており、該ポンプ４を作動させることで熱交換媒体を出口側熱交換媒体循環流路３ｂ（３）から入口側熱交換媒体循環流路３ａ（３）に圧送する。これにより、熱交換媒体は、入口側熱交換媒体循環流路３ａから燃料電池スタック２に流入し、燃料電池スタック２内を流通した後、出口側熱交換媒体循環流路３ｂに排出されることになる。また、本実施の形態においては、ポンプ４の作動状態を制御することで、燃料電池スタック２に流通する熱交換媒体の流量を制御している。

そして、熱交換媒体循環流路３には、ヒータ５が配設されている。このヒータ５を作動させることで、熱交換媒体を加熱する。これにより、燃料電池スタック２の低温時には熱交換媒体を熱媒として燃料電池スタック２内に流通させる。なお、熱交換媒体循環流路３には、冷却器を備えたバイパス路（図示せず）がヒータ５（加熱手段）を跨ぐように接続されている。そして、燃料電池スタック２の発電時には熱交換媒体を冷却器を介して冷却して、冷媒として燃料電池スタック２内に流通させる。

また、入口側熱交換媒体循環流路３ａ、出口側熱交換媒体循環流路３ｂには、温度センサｓ１、ｓ２、圧力センサｓ１’、ｓ２’がそれぞれ設けられている。これらのセンサｓ１、ｓ２、圧力センサｓ１’、ｓ２’により、燃料電池スタック２の入口側の温度Ｔ１や圧力Ｐ１、出口側の温度Ｔ２や圧力Ｐ２をそれぞれ検出する。また、熱交換媒体循環流路３におけるポンプ４とヒータ５の間の部位には、温度センサｓ３、圧力センサｓ３’がそれぞれ設けられ、この部位の温度Ｔ３や圧力Ｐ３をそれぞれ検出する。

このように構成された燃料電池スタック２の制御方法について図２〜図５を用いて説明する。図２は本発明の実施の形態における熱交換媒体（熱媒）流量制御処理の内容を示すフローチャート図である。同図のステップＳ１０に示すように、熱交換媒体の流量制御が開始されると、ステップＳ１２で、温度センサｓ２で検出した燃料電池スタック２の出口側温度Ｔ２の単位時間あたりの上昇率が所定値ΔＴ０以上か否かを判定する。この判定結果がＮＯであればステップＳ１４に進み、この判定結果がＹＥＳであればステップＳ１６に進む。

ステップＳ１４では、燃料電池スタックの熱交換媒体出口側の温度の変化率が所定変化率以下である第１モード（モード１）と判定する。このモードについて図３、図４を用いて説明する。図３は燃料電池システムの熱交換媒体流路の入口側温度、出口側温度、入口側と出口側の温度差のそれぞれの時間変化を示すグラフ図である。図４は図１に示す燃料電池スタックの温度状況を示す状態説明図である。これらの図に示すように、燃料電池スタック２の出口側の温度が所定値ΔＴ０より小さい場合には、燃料電池スタック２に熱交換媒体の熱エネルギーを迅速に伝達して上昇させることが望まれるが、始動直後は熱交換媒体の粘度が高いためポンプ４に過度な負担をかけることを防止するため、熱交換媒体の流量をやや高めである２００Ｌ／ｍｉｎにする。これにより、前記第１モードでは、前記熱交換媒体を前記燃料電池スタック２内に流通させるポンプ４を前記熱交換媒体の高い粘度から保護しつつ前記燃料電池スタック２の温度上昇を図ることができる。ステップＳ１４の処理が終了した後は、本フローチャートの最初の処理に戻る。

ステップＳ１６では、燃料電池スタック２の入口側の温度Ｔ１と出口側の温度Ｔ２との温度差が所定値ΔＴ０’以上か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳであればステップＳ１８に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２０に進む。ここで、温度Ｔ１、Ｔ２は温度センサｓ１、ｓ２で検出される。

ステップＳ１８では、前記燃料電池スタック２の入口側の温度Ｔ１と前記出口側の温度Ｔ２との差が所定値ΔＴ０’以上である第２モード（モード２）と判定する。このモード２のときには、燃料電池スタック２の出口側にも熱交換媒体の熱エネルギーが伝達され始めてはいるものの、入口側の温度Ｔ１との差が大きいことから第１モードと同様に迅速に熱交換媒体の熱エネルギーを伝達して燃料電池スタック２の温度を上昇させることが望まれる。
一方、出口側の温度Ｔ２の上昇率が所定値ΔＴ０以上になっているので、熱交換媒体の粘性もこれに伴い低下しており、熱交換媒体を循環させるポンプ４の負担も低下する。従って、このモード２では、熱交換媒体の流量を第１モードよりもさらに大きい流量、例えば２３０Ｌ／ｍｉｎに設定する。これにより、前記第２モードでは前記熱交換媒体の粘度を低下した状態で前記燃料電池スタックの温度を迅速に上昇させることができる。ステップＳ１８の処理が終了した後は、本フローチャートの最初の処理に戻る。

ステップＳ２０では、前記燃料電池スタック２の入口側の温度Ｔ１と前記出口側の温度Ｔ２との差が所定値ΔＴ０’未満である第３モード（モード３）と判定する。このモード３のときには、燃料電池スタック２の出口側にも有る程度熱交換媒体の熱エネルギーが伝達されており、熱交換媒体の流量を多くすると、燃料電池スタック２に伝達される熱エネルギー以外に外部に無駄に放出される熱エネルギーが過大となってしまう。従って、燃料電池スタック２の加温の必要性の低下した第３モードでは前記熱交換媒体の流量を第１モードの流量よりも小さい流量、例えば１００Ｌ／ｍｉｎに設定する。これにより、前記第３モードでは、前記熱交換媒体の流量を少なめに設定することで、前記熱交換媒体の熱エネルギーの拡散を抑制できるので、消費電力を減少させることができる。特にハイブリッド車両に燃料電池システムを搭載した場合には燃費向上にも寄与することができる。ステップＳ１８の処理が終了した後は、本フローチャートの最初の処理に戻る。
なお、上述した流量の値は一例であり、燃料電池スタックのサイズや熱交換媒体の種類の種々の条件により適宜変更可能であることはもちろんである。

さらに、これらの処理と並行して図５に示す処理を行う。図５は本発明の実施の形態における流量制御処理のフィードバック制御の内容を示すフローチャート図である。同図に示すように、ステップＳ３２で、圧力センサｓ１’と圧力センサｓ２’とで検出した燃料電池スタック２の入口側圧力Ｐ１と出口側圧力Ｐ２との差分をとり、この差分から実流量を算出する。そして、ステップＳ３４で、実流量に基づいてマップ値より目標流量を算出する。さらに、ステップＳ３６で、実流量と目標流量との差からＰＩＤ（比例・積分・微分）動作によるフィードバック制御を実行する。その後、このフローチャートの最初の処理に戻る。このように制御することで、前記熱交換媒体の流量を迅速に適正化することができ、よりきめ細かな制御を行うことが可能となる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、フィードバック制御として、ＰＩＤ制御を用いたが、これに限らず、ＰＩ制御を用いても良い。また、実施の形態では、温度差Ｔ１−Ｔ２としたが、熱量差Ｑ１−Ｑ２で判定しても良い。さらに、実施の形態では、３つのモードで区分してそれぞれのモードで熱交換媒体の流量を制御するようにしたが、燃料電池スタックの温度およびその変化率に基づいて熱交換媒体の流量を切り換える構成を備えていれば良い。

本発明の実施の形態における燃料電池スタックを有する燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施の形態における熱交換媒体（熱媒）流量制御処理の内容を示すフローチャート図である。 燃料電池システムの熱交換媒体流路の入口側温度、出口側温度、入口側と出口側の温度差のそれぞれの時間変化を示すグラフ図である。 図１に示す燃料電池スタックの温度状況を示す状態説明図である。 本発明の実施の形態における流量制御処理のフィードバック制御の内容を示すフローチャート図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３…熱交換媒体（冷媒）循環流路
４…ポンプ
５…ヒータ（加熱手段）

Claims (3)

1. 燃料電池スタックに熱交換媒体を流通させて燃料電池スタックを温度制御する燃料電池システムの始動方法であって、
   前記燃料電池スタックを起動した後、
   前記燃料電池スタックの熱交換媒体出口側の温度の変化率が所定変化率未満である第１モードでは、前記熱交換媒体の流量を所定の第１流量に設定し、
   前記熱交換媒体出口側の温度の変化率が前記所定変化率以上であり、前記燃料電池スタックの熱交換媒体入口側の温度と前記熱交換媒体出口側の温度との差が所定値以上である第２モードでは、前記熱交換媒体の流量を所定の第２流量に設定し、
   前記熱交換媒体入口側の温度と前記熱交換媒体出口側の温度との差が所定値未満である第３モードでは、前記熱交換媒体の流量を所定の第３流量に設定する
   ことを特徴とする燃料電池システムの始動方法。
2. 前記第２流量は前記第１流量以上であり、前記第１流量は前記第３流量よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの始動方法。
3. 前記熱交換媒体の流量は、前記熱交換媒体の圧力に基づいてフィードバック制御を行って設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの始動方法。

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