JP2003173804A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムの加熱に使用される燃料の
残量警告表示条件を外気温に基づき変更する。 【解決手段】 燃料電池システムに設置された燃料電池
スタック（１）と、燃料電池スタックに用いる純水を流
通する経路とを断熱材（８）で覆い、前記純水が凍結し
ないように純水の温度が所定温度（Ｔｓ）以下になった
ときに加熱手段（６）によって純水を加熱し、前記加熱
手段は燃料電池システムの燃料によって運転され、前記
燃料電池システムの燃料残量が所定量（Ｖ１）以下のと
きに燃料残量の警告灯（１９）を点灯し、この警告灯が
点灯する所定量は、前記断熱材の外部温度が低温である
ほどこの所定量が多く設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は燃料電池システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池、特に固体高分子型燃料
電池は、固体高分子電解質膜と触媒と電極からなる単セ
ルをスタック状に積層して構成される。

【０００３】このセルを構成する固体高分子電解質膜
は、発電時に適度の潤湿状態を維持することでプロトン
伝導性を示すため、水分を補給する必要がある。このた
め、燃料電池システムには水分補給用の純水タンクが設
置されており、また他の目的でシステム中に純水を使用
する部位もある。

【０００４】システム中の純水は、周囲の気温が氷点下
となると凍結し、燃料電池の故障や性能劣化を招くとい
う問題が生じる。

【０００５】燃料電池中の氷が解凍されないと燃料電池
が起動できず、冷間時の起動性が著しく損なわれ、始動
直後に発進できず、実用性が悪い。

【０００６】このような問題を解決するために、特開２
０００−２７７１３５号公報には、燃料電池を断熱材で
覆い、燃料電池からの放熱を遮断するとともに、その内
部に加熱手段を設けた構成が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報の構成では、加熱手段によって消費される燃料量につ
いて考慮されておらず、移動体に搭載される燃料電池の
ように所定量の燃料を貯蔵して運転される燃料電池に
は、燃料の残量を制御することができないため適用する
には問題がある。

【０００８】そこで本発明は、このような課題に鑑み、
燃料電池システム内で消費される燃料の残量を把握、制
御して運転者に燃料残量情報を提供するとともに、シス
テム中の純水の温度が氷点下にならないように制御する
ことで課題を解決するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、燃料電池
システムに設置された燃料電池スタックと、燃料電池ス
タックに用いる液体を流通する経路との少なくとも一部
を断熱材で覆い、前記液体が凍結しないように液体の温
度が液体の凝縮点以上に設定される所定温度以下になっ
たときに加熱手段によって液体を加熱し、前記加熱手段
は燃料電池システムの燃料によって運転され、前記燃料
電池システムの燃料残量が所定量以下のときに燃料残量
の警告灯を点灯し、この警告灯が点灯する所定量は、前
記断熱材の外部温度が低温であるほどこの所定量が多く
設定される。

【００１０】第２の発明は、第１の発明において、前記
警告灯が点灯した時に前記所定温度をより液体の凝固点
に近い第２の所定温度に切り換える。

【００１１】第３の発明は、第２の発明において、前記
液体の温度が第２所定温度以下となったときに、前記加
熱手段の運転状態をより高効率の状態に切り換える。

【００１２】第４の発明は、第３の発明において、前記
加熱手段は、燃料を燃焼するヒータであり、前記高効率
の運転状態は、このヒータの負荷を高め作動時間を短く
する。

【００１３】第５の発明は、第１または３ないし４の発
明において、前記燃料電池システムは、改質ガスを生成
する改質装置を備え、前記加熱手段は、前記改質ガスの
原燃料を燃焼するヒータである。

【００１４】第６の発明は、第１の発明において、前記
燃料警告灯が点灯する所定量は、前記外部温度とその検
出時刻から設定される。

【００１５】第７の発明は、第６の発明において、前記
外部温度とその検出時刻とその時刻での燃料の残量に基
づき燃料がなくなるまでの時間を算出し、その時間を警
告装置によって告知する。

【００１６】第８の発明は、第１の発明において、前記
外部温度が、液体の凝固点を越える温度である場合に前
記加熱手段の運転を停止する。

【００１７】第９の発明は、第１または８の発明におい
て、前記液体は、燃料電池の冷却もしくは加湿に用いら
れる純水であり、前記凝固点は０℃である。

【００１８】

【発明の効果】第１の発明は、燃料電池システムの燃料
を使用して運転される加熱手段が、液体の凍結を防止す
るように液体の温度が液体の凝固点以上に設定される所
定温度以下になったときに液体を加熱する。燃料電池シ
ステムの燃料の残量が所定量以下のときに燃料残量の警
告灯を点灯し、この警告灯が点灯する所定量は、断熱材
の外部温度が低温であるほど燃料残量の所定量が多くな
るように設定される。したがって、加熱手段の運転を所
定温度以下の場合に限定したことにより加熱手段によっ
て消費される燃料の量を抑制することができる。また外
部温度が低い場合には加熱手段が消費する燃料が増加
し、燃料電池システムの燃料の消費が進み、システムの
燃料切れが生じて燃料電池スタックと燃料電池システム
の液体が凍結する恐れが早まるが、このような場合には
燃料残量が所定量以下で警告灯を点灯することで事前に
運転者に燃料切れの可能性を認知させ、燃料切れによる
燃料電池スタックの凍結を防止することができる。

【００１９】第２の発明では、燃料警告灯が点灯した時
に所定温度をより液体の凝固点に近い第２の所定温度に
切り換えることで、加熱手段による燃料の消費量をさら
に低減し、燃料電池システムの運転時間を長期化し、燃
料電池スタックと燃料電池システムの液体の凍結を防止
できる。

【００２０】第３の発明では、純水の温度が第２所定温
度以下となったときに、加熱手段の運転状態をより高効
率の状態に切り換えることで、加熱手段の燃料消費量を
低減し、燃料電池システムの運転時間を延長することが
できる。

【００２１】第４の発明では、前記加熱手段は、燃料を
燃焼するヒータであり、前記高効率の運転状態は、この
ヒータの負荷を高め作動時間を短くすることにより、燃
料消費量を低減し、効率を高めることができる。

【００２２】第５の発明では、加熱手段は、前記燃料電
池スタックに（改質された後）改質ガスとして供給され
る原燃料を燃焼するヒータとしたので、燃料を兼用して
効率よく純水の温度を制御できる。

【００２３】第６の発明では、燃料警告灯が点灯する所
定量は、前記外部温度とその検出時刻から設定されるこ
とにより、さらに精度よく燃料の消費状態を判定するこ
とができる。

【００２４】第７の発明では、外部温度とその検出時刻
とその時刻での燃料の残量に基づき燃料がなくなるまで
の時間を算出し、その時間を警告装置によって告知する
ことにより、燃料切れによる液体の凍結を確実に防止す
ることができる。

【００２５】第８の発明では、外部温度が、液体の凝固
点を越える温度である場合に前記加熱手段の運転を停止
することにより、加熱手段の無駄な運転を防止し、燃料
の消費を抑制する。

【００２６】第９の発明では、前記液体は、燃料電池の
冷却もしくは加湿に用いられる純水であり、前記凝固点
は０℃としたので、加熱の要否の判断を正確に行うこと
ができ、確実に純水の凍結を防止できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１に本発明の燃料電池システム
の構成の一例を示す。

【００２８】燃料電池スタック１には、改質器１１から
改質ガスが、またブロア１２から空気が供給される。改
質ガスと空気はスタック１内で発電のための電気化学変
化に供せられて、排出される。

【００２９】燃料電池スタックを冷却するための冷却水
として、アキュムレータ２内の純水がポンプ５の作動に
よって熱交換器４を介して燃料電池スタック１に供給さ
れる。燃料電池スタック１を冷却することで昇温した冷
却水は、熱交換器４でポンプ９から熱交換器４内に供給
される冷媒との間で熱交換を行い、降温される。熱交換
器４から排出された冷媒は、ラジエータ１０に送られて
大気中に熱を放出し、温度を低下させる。

【００３０】ここで、燃料電池スタック１と、アキュム
レータ２と、ポンプ５と、熱交換器４及びこれらを連結
する純水通路は、断熱材８によって覆われており、外部
との熱交換は遮断されている。アキュムレータ２にはそ
の純水の温度を検出するための温度センサ３が設置され
ており、この検出値が断熱材８内の代表温度として取り
扱われる。また断熱材８内には断熱材８内の空気を加熱
するための加熱手段、例えばヒータ６が設置されてい
る。ヒータ６には燃料タンク１４から燃料流路１３と１
８を通じて燃料が供給され、燃焼し、その排気ガスは断
熱材８の外部に排出される。

【００３１】燃料タンク１４からの燃料は、燃料流路１
４を通じて改質器２にも供給されて、改質反応に用いら
れる。

【００３２】燃料電池システムを制御するためのコント
ローラ１７には、外気温度計１６、温度センサ３、燃料
残量計１５の検出信号が入力され、これらの信号に基づ
いてコントローラ１７は燃料残量警告灯１９、ポンプ
５、９及びヒータ６の作動を制御する。

【００３３】図２のフローチャートを用いてコントロー
ラ１７が実施する制御内容を説明する。

【００３４】まずステップ１０で外気温度計１６から外
気温が入力され、ステップ１２で外気温が水の凝固点で
ある０℃以下かどうかを判定する。０℃以下の場合には
ステップ１４に進み、０℃を越える時には純水は凍るこ
とがないので制御を停止する。つまり、断熱材８内の温
度が後述する温度しきい値より低い場合でも、外気温度
が０℃以下でなければヒータ６を作動させない。このよ
うに制御することで、無駄にヒータ６を作動させること
なく、燃料消費量を削減できる。

【００３５】ステップ１４では、燃料残量警告灯１９を
点灯する基準燃料残量Ｖ１を算出する。基準燃料残量Ｖ
１は図３に示すようなマップから外気温に応じて設定さ
れ、０℃を超えるときには、基準の残量ＶＢを基準燃料
残量Ｖ１として設定し、０℃では燃料電池スタック１、
純水流路等の氷を解凍することを見越した燃料分Ｑ１を
基準残量ＶＢに加算して基準燃料残量Ｖ１として設定す
る。氷点下の気温の場合には、気温が低くなるほど氷の
解凍に要する熱量が増大するため、気温が低いほど解凍
に必要な燃料分Ｑ１を増加させ、これを基準残量ＶＢに
加算して基準燃料残量Ｖ１とする。

【００３６】このように基準燃料残量Ｖ１を設定するこ
とにより、外気温度が低いほどにヒータ６の燃料消費量
が多くなることを勘案し、燃料切れによる燃料電池シス
テムの凍結の可能性を運転者等に警告し、予防すること
ができる。また燃料残量算出の際、外気温が時刻に応じ
て変化することを利用し、時刻を制御変数としてある時
刻での外気温度を測定し、予め記憶された時刻と外気温
度の関係のマップ等に基づきこの時刻からの外気温度変
化を予測し、保温に必要な燃料残量をさらに精度よく算
出するようにしてもよい。なお、このとき外気温度とそ
の検出時刻と燃料の残量から燃料切れまでの時間を演算
し、運転者等に燃料切れまでの時間を告知する警告装置
を設置するようにしてもよい。

【００３７】ステップ１６では、燃料残量計１５の出力
が入力され、続くステップ１８で検出された燃料残量Ｖ
ｍが基準燃料残量Ｖ１以上残っているかどうかを判定す
る。基準燃料残量Ｖ１以上残っているときにステップ２
２に進み、基準に満たない時にはステップ２０に進んで
燃料残量警告灯１９を点灯し、運転者等に燃料残量に注
意するよう警告する。

【００３８】続くステップ２２で、図４に示すマップを
用いて検出された燃料残量Ｖｍから断熱材８内の温度し
きい値Ｔを算出する。燃料残量Ｖｍが所定量Ｖ２より少
ない場合には温度しきい値Ｔが０℃に近い値Ｔｔを算出
し、所定量Ｖ２以上の時にはＴｔより高温の温度しきい
値Ｔｓを算出する。燃料残量の所定値をＶ２として前記
基準燃料残量Ｖ１を用いて燃料警告灯１９の点灯と同時
に断熱材８内の温度しきい値を切り換えてもよい。

【００３９】このような燃料残量が少ない場合には、断
熱材８内を保温できる時間が短くなり、燃料切れによる
凍結の恐れが生じるが、この場合には断熱材８内の温度
を０℃に近づけてヒータ６の点火温度を下げて断熱材８
内部の純水が凍結しない下限温度に断熱材８内の温度を
保持するようにする。したがって、燃料の消費量を低減
し、純水が凍結しない温度に断熱材８内の温度をより長
時間保持することができる。

【００４０】なおこのときのヒータ６の燃焼状態は、図
５に示すより高効率、高出力の運転状態となるように制
御する。通常の運転状態ではヒータ６は、低出力の運転
状態（図５中のＷ１で示す。）で運転される。これは、
断熱材８内の温度が局所的に高くなり、局部的に熱損傷
を生じることを防止するためである。しかしながら、燃
料残量Ｖｍが減少し、燃料警告灯１９が点灯した場合に
は、ヒータ６を高出力（Ｗ２）、高効率（Ｈ２）の運転
状態に切り換える。この高効率の燃焼状態で、断熱材８
内の平均設定温度を純水が凍結しない下限温度（例え
ば、温度しきい値Ｔｔ）まで低下させることで最小燃料
消費量が達成される。

【００４１】ヒータ６を高出力で運転することで、断熱
材８内に局所的な高温部が発生し、熱損傷の恐れが生じ
るが、この運転状態は短時間に行われるもので、熱損傷
は最小限度に抑制されるため問題とならない。

【００４２】図６に燃料警告灯１９点灯と同時に温度し
きい値Ｔを切り換えた場合の燃料警告灯１９点灯前と点
灯後でのヒータ６の運転状態の違いを示す。実線で示し
た運転状態が点灯後の状態、点線で示したものが点灯前
の運転状態である。点灯前は前述のように低効率Ｈ１、
低出力Ｗ１で運転され、点灯後は高効率Ｈ２、高出力Ｗ
２で運転される。比較すると高効率Ｈ２、高出力Ｗ２で
運転したときの方が急速に温度が上昇するため燃焼時間
ｃｔが短く、点火周期Ｋが長くてよいことがわかる。

【００４３】図２のフローチャートの説明に戻るとステ
ップ２４で、断熱材８内の温度としてアキュムレータ２
の温度Ｔｍを温度センサ３によって検出し、続くステッ
プ２６でこの検出温度Ｔｍとしきい値Ｔを比較する。そ
して検出温度Ｔｍがしきい値Ｔ以上の時にはヒータ６を
点火する必要がないため制御を終了する。一方、検出温
度Ｔｍがしきい値Ｔ未満の温度のときにはステップ２８
でヒータ６を点火し、断熱材８内を加熱し、制御を終了
する。

【００４４】これまで説明してきた制御を時系列でまと
めたものが図７である。この図７では、燃料警告灯１９
が表示される残量Ｖ１となったときに断熱材８内の温度
しきい値を切り換える場合を説明する。

【００４５】まず時刻ｔ１で、高温側の温度しきい値Ｔ
である第１温度しきい値（Ｔｓ）まで断熱材８内の温度
が低下したとすると、ヒータ６が点火し、低効率、低出
力で断熱材８内を加熱する。時刻ｔ２までこの状態で断
続的に断熱材８内を加熱し、このｔ１からｔ２の間に燃
料が消費されて時刻ｔ２で燃料警告灯１９が表示される
残量Ｖ１まで燃料が消費される。

【００４６】燃料残量Ｖｍが残量Ｖ１となった時点で、
断熱材８内の温度しきい値Ｔはより０℃に近い第２温度
しきい値（Ｔｔ）に切り換わるとともに、断熱材８内の
温度が第２温度しきい値となったときにヒータ６の運転
状態は高効率、高出力運転に切り換えられる（時刻ｔ
３）。断熱材８内の温度がこの第２温度しきい値Ｔｔを
維持されるようにヒータ６は高効率、高出力で燃焼する
ため燃料の消費が抑制され、断熱材８内の保温時間をよ
り長期とすることができる。

【００４７】したがって本発明では、断熱材８内の温
度、つまり純水の温度が氷点下にならないように純水の
温度が所定温度（Ｔｓ）以下になるとヒータ（加熱手
段）６を点火して、純水を所定温度Ｔｓに制御し、また
ヒータの燃焼に用いる燃料の残量Ｖｍが燃料警告灯１９
を点灯するべき残量Ｖ１以下になると燃料警告灯１９を
点灯し、さらに断熱材８の外部温度が低いほど燃料警告
灯１９が点灯する残量Ｖ１を多く設定するようにした。
したがって、加熱手段の運転を所定温度以下の場合に限
定したことにより加熱手段によって消費される燃料の量
を抑制することができる。また外部温度が低い場合には
加熱手段が消費する燃料量が増加し、燃料電池システム
の燃料量の消費が進み、システムの燃料切れが生じて燃
料電池スタック１が凍結する恐れがあるが、このような
場合には燃料残量が残量Ｖ１以下で燃料警告灯を点灯す
ることで事前に運転者に燃料切れの可能性を認知させ、
燃料電池スタック１の凍結を防止することができる。

【００４８】また、燃料残量がＶ１以下の場合には純水
の温度しきい値をより０℃に近い第２の所定温度（Ｔ
ｔ、第２の温度しきい値）に切り換えることで、さらに
加熱手段による燃料の消費量を低減し、燃料電池システ
ムの運転時間を長期化し、燃料電池スタックの凍結を防
止できる。

【００４９】本発明は、上記した実施形態に限定される
ものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざま
な変更がなしうることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池システムの構成を説明するた
めの図である。

【図２】制御内容を詳しく説明するためのフローチャー
トである。

【図３】基本燃料残量Ｑ１を算出するためのマップであ
る。

【図４】温度しきい値を算出するためのマップである。

【図５】ヒータの効率と出力の関係を説明するためのマ
ップである。

【図６】ヒータの運転特性を説明するための図である。

【図７】本発明の制御内容を時系列で説明するための図
である。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ２ アキュムレータ ４ 熱交換器 ６ ヒータ（加熱手段） ８ 断熱材 １０ ラジエータ １１ 改質器 １４ 燃料タンク １７ コントローラ １９ 燃料警告灯

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 東 秀剛 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 CC06 KK41 KK48 MM16

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池システムに設置された燃料電池ス
   タックと、燃料電池スタックに用いる液体を流通する経
   路との少なくとも一部を断熱材で覆い、 前記液体が凍結しないように液体の温度が液体の凝縮点
   以上に設定される所定温度以下になったときに加熱手段
   によって液体を加熱し、 前記加熱手段は燃料電池システムの燃料によって運転さ
   れ、 前記燃料電池システムの燃料残量が所定量以下のときに
   燃料残量の警告灯を点灯し、 この警告灯が点灯する所定量は、前記断熱材の外部温度
   が低温であるほどこの所定量が多く設定されることを特
   徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】前記警告灯が点灯した時に前記所定温度を
   より液体の凝固点に近い第２の所定温度に切り換えるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】前記液体の温度が第２所定温度以下となっ
   たときに、前記加熱手段の運転状態をより高効率の状態
   に切り換え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。
4. 【請求項４】前記加熱手段は、燃料を燃焼するヒータで
   あり、前記高効率の運転状態は、このヒータの負荷を高
   め作動時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載
   の燃料電池システム。
5. 【請求項５】前記燃料電池システムは、改質ガスを生成
   する改質装置を備え、前記加熱手段は、前記改質ガスの
   原燃料を燃焼するヒータであることを特徴とする請求項
   １または３ないし４に記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】前記燃料警告灯が点灯する所定量は、前記
   外部温度とその検出時刻から設定されることを特徴する
   請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】前記外部温度とその検出時刻とその時刻で
   の燃料の残量に基づき燃料がなくなるまでの時間を算出
   し、その時間を警告装置によって告知することを特徴と
   する請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】前記外部温度が、液体の凝固点を越える温
   度である場合に前記加熱手段の運転を停止することを特
   徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 【請求項９】前記液体は、燃料電池の冷却もしくは加湿
   に用いられる純水であり、前記凝固点は０℃であること
   を特徴とする請求項１または８に記載の燃料電池システ
   ム。