JP4030063B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法 - Google Patents
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Description
次に、本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。参照する図面において、図1は、第1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図2は第1実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートであり、図3は第1実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
図1に示すように、第1実施形態に係る燃料電池システム1Aは、燃料電池自動車に搭載されたシステムであり、主として、燃料電池自動車の始動時(燃料電池システム1Aの起動時)に、燃料電池2を好適に発電させて、その自己発熱により燃料電池2を含むシステム1A内を解氷させるシステムである。
また、燃料電池システム1Aは、燃料電池システム1A内が凍結している場合、燃料電池2を氷点下条件で運転し、解氷後または燃料電池システム1A内が凍結していない場合、燃料電池2を通常運転条件で運転させるシステムである。すなわち、燃料電池システム1Aは、燃料電池システム1Aの状態に対応して、燃料電池2を好適に運転させるシステムである。
燃料電池2(燃料電池スタック)は、主として、電解質膜3の両面をアノード(燃料極)およびカソード(空気極)で挟持してなる単セルが、セパレータを介して、複数積層されることで構成されている。セパレータには、電解質膜3の全面に反応ガスを供給するための溝、各単セルに供給するための貫通孔などが複雑に形成されており、これら溝などがアノード側流路4、カソード側流路5として機能している。アノード側流路4には燃料ガスとしての水素ガスが流通し、この流通する水素ガスが各アノードに供給されるようになっている。一方、カソード側流路5には、酸化剤ガスとしての空気が流通し、この流通する空気が各カソードに供給されるようになっている。
そして、水素ガスが各アノードに、空気が各カソードに供給されると、各アノード・各カソードで電気化学反応が生じて、各単セルで所定の電位差が発生し、この単セルが一般に直列で接続されているため、燃料電池2から大きな電力を取り出し可能となっている。
アノード系は、燃料電池2のアノード側に配置し、水素ガスを供給・排出する系であり、水素ガスが貯蔵された水素タンク11、エゼクタ12、パージ弁13、温度センサ14(燃料ガス温度検出手段)を主に備えている。
カソード系は、燃料電池2のカソード側に配置し、空気を供給・排出する系であり、ポンプ21(コンプレッサ)、温度センサ22(酸化剤ガス温度検出手段)を主に備えている。
また、配管21aには、加湿器(図示しない)が設けられており、燃料電池2に供給される空気が加湿されるようになっている。
温度センサ22は、配管21bに設けられており、カソードオフガスの温度(カソードオフガス温度T2)を検出可能となっている。また、温度センサ22は、後記するECU50の解氷判定部52に電気的に接続しており、解氷判定部52は、カソードオフガス温度T2を監視可能となっている。
冷却系は、発電により発熱する燃料電池2が、過剰に昇温しないように冷却する系であり、ラジエータ31(放熱器)と、ポンプ32と、温度センサ33(冷媒温度検出手段)を主に備えている。そして、エチレングリコールなどを主成分とするラジエータ液(冷媒)が、ポンプ32の稼動によって、ラジエータ31と燃料電池2との間で循環するように、適所に配管が設けられている。温度センサ33は、燃料電池2から排出されたラジエータ液(以下、排出ラジエータ液)が流通する配管に設けられており、温度センサ33により排出ラジエータ液の温度(排出ラジエータ液温度T3)を検出可能となっている。また、温度センサ33は、後記するECU50の解氷判定部52と電気的に接続しており、解氷判定部52は、排出ラジエータ液温度T3を監視可能となっている。
外気用温度センサ41は、燃料電池自動車の適所に設けられている。なお、この外気用温度センサ41は、本実施形態では使用しないが、前記したように温度センサ14の代わりに、停止中温度検出手段として利用してもよい。
ECU50は、燃料電池2の発電を制御する機能、燃料電池システム1Aの停止中における外気温度を監視する機能、停止中のアノードオフガス温度T1に基づいて燃料電池システムが起動時において凍結しているか否かを判断する機能、燃料電池システム1A全体が解氷したか否かを判定する機能を主に有している。ECU50は、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成され、ポンプ制御部51(反応ガス供給制御手段)と、解氷判定部52(解氷判定手段)と、凍結判断部53(低温判断手段)とを主に備えている。
ポンプ制御部51は、カソード側のポンプ21と電気的に接続しており、ポンプ21の稼動(回転速度など)を適宜に制御可能となっている。
ポンプ制御部51には、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とが設定されており、適宜に切り換え可能となっている。
ここで、「通常運転条件」とは、ポンプ21を通常の回転速度(起動時における回転速度として予め設定されている所定の回転速度)で通常に稼動させて、燃料電池2に通常流量・通常圧力で空気(通常用反応ガス)を供給し、燃料電池2を通常に発電させる条件である。これに対し、「氷点下運転条件」とは、ポンプ21を前記通常の回転速度より高い回転速度で稼動させて、燃料電池2に、前記通常流量より多い流量・前記通常圧力より高い圧力で空気(低温用反応ガス)を供給し、燃料電池2を高発電させる条件である。
したがって、燃料電池2の氷点下運転条件における自己発熱量は、通常運転条件における自己発熱量より高くなっており、ポンプ制御部51は、「通常運転条件」と「氷点下運転条件」とを適宜に切り換えて、燃料電池2の自己発熱量を制御可能となっている。
凍結判断部53は、アノードオフガス温度を検出する温度センサ14と電気的に接続しており、この温度センサ14から出力されてくる燃料電池システム1Aの停止中におけるアノードオフガス温度を監視する機能を有している。さらに、この凍結判断部53は、温度センサ14から出力されてくるアノードオフガス温度に基づいて、燃料電池システム1Aの停止中にアノードオフガス温度が氷点下(所定温度)に達したか否か(0℃以下となったか否か)を判断する機能を有している。そして、凍結判断部53は、アノードオフガス温度が氷点下に達したと判断した場合には、フラグを立てる(フラグに「1」を入れる)機能を有している。
解氷判定部52は、燃料電池システム1Aの起動時において、凍結判断部53の判断結果(フラグが立っているかどうか)を参照し、その判断結果に基づいて、ポンプ制御部51に「通常運転条件」と「氷点下運転条件」のどちらを選択するかを指示する機能を有している。これにより、燃料電池システム1Aの状態(非凍結状態、凍結状態)に対応して、「通常運転条件」または「氷点下運転条件」下で、燃料電池2を好適に運転することが可能となっている。ここで、解氷判定部52は、「低温起動制御手段」に相当する。
具体的に第1実施形態では、解氷判定部52は、燃料電池システム1Aの起動時にフラグが「1」の場合は、燃料電池システム1Aの少なくとも一部は凍結状態であると判定し、ポンプ制御部51に「氷点下運転条件」を指示するように設定されている。一方、燃料電池システム1Aの起動時にフラグが「0」の場合は、燃料電池システム1A全体は非凍結状態であると判定し、「通常運転条件」を指示するように設定されている。
具体的に第1実施形態では、解氷判定部52は、アノードオフガス温度T1、カソードオフガス温度T2、および排出ラジエータ液温度T3のうち少なくとも2つの温度を参照し、それらの温度が0℃を超えた場合に、燃料電池システム1A全体が解氷したと判定するように設定されている。このように、少なくとも2つの温度を判定対象とすることで、誤判定を防止可能となっている。
次に、第1実施形態に係る燃料電池システム1Aの動作について、図1に加えて、図2および図3を併せて参照しつつ説明する。
図2に示すように、燃料電池自動車のイグニッションスイッチ(以下、「IGSW」という)がOFFされると(スタート)、ECU50は、水素ガスの供給・停止を切り替える図示せぬ遮断弁を閉じたり、ポンプ21を停止させることによって燃料電池システム1Aを停止させる(S21)。そして、ステップS21の後、ECU50は、温度センサ14で検出したアノードオフガス温度を、凍結判断部53に取り込む(S22)。
図3に示すように、前記した停止時におけるフロー(図2参照)が終了すると(スタート)、ECU50は、ステップS2に進んで凍結判断を行う。なお、ECU50は、起動時のフローに移行するのに連動して、アノード側の遮断弁(図示しない)などを開放して、燃料電池2のアノード側に水素ガスを供給する。
ステップS2においては、解氷判定部52が、凍結判断部53の判断結果(フラグが「1」であるか否か)を参照し、その判断結果に基づいて、燃料電池システム1Aの少なくとも一部が凍結状態であるか否かを判断する。
すなわち、ステップS2において、解氷判定部52は、フラグが「1」である(氷点下の経験がある)と判定した場合には(Yes)、「燃料電池システム1Aの少なくとも一部は凍結状態である」と判断して、ポンプ制御部51に「氷点下運転条件」を指示し、ステップS3に進む。なお、「1」であったフラグは、このステップS2で「Yes」と判定された後、「0」に戻される。
一方、ステップS2において、解氷判定部52は、フラグが「0」である(氷点下の経験がない)と判定した場合には(No)、「燃料電池システム1A全体が凍結状態でない」と判断して、ポンプ制御部51に「通常運転条件」を指示し、ステップS5に進む。
ステップS3においては、ポンプ制御部51が、ポンプ21を「氷点下運転条件」で稼動させる。具体的には、ポンプ制御部51がポンプ21を制御して、「通常運転条件」より多流量・高圧力の空気(低温用反応ガス)を燃料電池2に供給する。これにより、燃料電池2は「通常運転条件」より高出力で発電する。したがって、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池2の自己発熱量は、「通常運転条件」の自己発熱量より高くなり、この高い自己発熱量により、燃料電池2内が速やかに解氷し始めるとともに、この燃料電池2の発熱により燃料電池システム1A全体も解氷し始めることとなる。
このように燃料電池2を「氷点下運転条件」で発電させた後、ステップS4に進む。
ステップS4においては、解氷判定部52が、「氷点下運転条件」で発電する燃料電池2を含む燃料電池システム1A全体が解氷したか否かを判定する。具体的には、アノードオフガス温度T1、カソードオフガス温度T2、および排出ラジエータ液温度T3のうち少なくとも2つの温度を参照し、それらの温度が0℃を超えた場合に、燃料電池システム1A全体が解氷したと判定する。
「燃料電池システム1A全体は解氷した」と判定した場合(S4、Yes)、解氷判定部52は、ポンプ制御部51に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップS5に進む。一方、「燃料電池システム1A全体は解氷していない」と判定した場合(S4、No)、ステップS3に進み、「氷点下運転条件」でのポンプ21の稼動は継続される。
ステップS5においては、ポンプ制御部51が、ポンプ21を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気(通常用反応ガス)を供給する。これにより、燃料電池2は通常に発電する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池システム1Aの起動時の凍結判断、解氷判定は終了する。
また、燃料電池システム1Aの起動時に燃料電池システム1Aの少なくとも一部が凍結状態である場合、自己発熱量の高い「氷点下運転条件」で燃料電池2を発電させることによって燃料電池システム1A全体を速やかに解氷した状態にすることができる。
また、一般の燃料電池システムが備えるカソード側ポンプを有効利用するため、従来のカソード側のヒータなどの特別な機器などを備えずに、燃料電池システム1Aを構成することができる。すなわち、燃料電池システム1Aを構成するに際し、重量化・大型化などすることもない。
さらに、燃料電池システム1Aの少なくとも一部が凍結状態の場合は「氷点下運転条件」で、非凍結状態の場合は「通常運転条件」で、燃料電池2を好適に運転することができる。
さらにまた、解氷後は速やかに「通常運転条件」に切り換えることで、無駄なく空気(反応ガス)を燃料電池2に供給することができる。
次に、第2実施形態に係る燃料電池システムについて、図4から図8を参照して説明する。この実施形態は第1の実施形態を一部変更したものなので、第1の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図4は、第2実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図5は、解氷前後のアノードオフガスの温度を示すグラフである。図6は、燃料電池の発電量に基づいて、自己発熱量を算出するための自己発熱量データの一例を示すグラフである。図7は、燃料電池内が非凍結状態である場合、燃料電池の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの非凍結温度上昇率を算出するための非凍結温度上昇率データの一例を示すグラフである。図8は、第2実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
図4に示すように、第2実施形態に係る燃料電池システム1Bは、主として、第1実施形態に係るECU50に代えて、ECU60を備えており、解氷判定方法が異なる。また、燃料電池システム1Bは、流量計15と、電流電圧検出器42とをさらに備えている。その他、燃料電池システム1Bは、第1実施形態に係る温度センサ22、33を備えていない。
流量計15は、アノード側の配管13aに設けられており、アノードオフガスの流量を検出可能となっている。また、流量計15は、後記するECU60の非凍結温度上昇率算出部65Aと電気的に接続しており、非凍結温度上昇率算出部65Aは、アノードオフガスの流量を監視可能となっている。
電流電圧検出器42は、燃料電池2の発電量(詳細には出力電流、出力電圧)を検出する機器であり、電流計、電圧計などで構成され、燃料電池2の出力端子に接続している。また、電流電圧検出器42は、後記するECU60の自己発熱量算出部64Aと接続しており、自己発熱量算出部64Aは、燃料電池2の発電量(出力電流、出力電圧)を監視可能となっている。
ECU60は、ポンプ制御部61(反応ガス供給制御手段)と、解氷判定部62(解氷判定手段)と、実測温度上昇率算出部63(温度上昇率算出手段)と、自己発熱量算出部64A(自己発熱量算出手段)と、自己発熱量データ記憶部64B(自己発熱量算出手段)と、非凍結温度上昇率算出部65A(非凍結温度上昇率算出手段)と、非凍結温度上昇率データ記憶部65B(非凍結温度上昇率算出手段)と、凍結判断部66とを備えている。
なお、ポンプ制御部61、凍結判断部66は、第1実施形態に係るポンプ制御部51、凍結判断部53と同様であるため、ここでの説明は省略する。
解氷判定部62は、第1実施形態と同様に解氷判定機能、解氷判定または凍結判断部66の判断結果に基づくポンプ制御部61への指示機能を有している。ところが、解氷判定部62による解氷判定方法は第1実施形態とは異なっているため、図5を参照して、解氷判定方法に係る理論について説明する。
したがって、氷点(0℃)の前後において、自己発熱による燃料電池2の温度上昇率は、「凍結状態(0℃以下)の燃料電池2自体の温度上昇率<非凍結状態(0℃より上)の燃料電池2自体の温度上昇率」の関係にあると考えられる。
これにより、「非凍結温度上昇率ΔT」と「実測温度上昇率ΔT1」とを、経時的に対比することにより、「非凍結温度上昇率ΔT」と「実測温度上昇率ΔT1」とが略等しくなったとき、燃料電池2内が解氷したと判定することができる。
第2実施形態に係る解氷判定部62は、このような理論に基づいて、実測温度上昇率算出部63が算出した「実測温度上昇率ΔT1」と、非凍結温度上昇率算出部65Aが算出した「非凍結温度上昇率ΔT」とを比較して、燃料電池2内が解氷したか否かを判定する機能を有している。
具体的に第2実施形態では、解氷判定部62は、「非凍結温度上昇率ΔT」と「実測温度上昇率ΔT1」とが略等しい場合、言い換えると、「非凍結温度上昇率ΔT」と「実測温度上昇率ΔT1」との差の絶対値が閾値t(t≒0)以下の場合に、燃料電池2内が解氷したと判定するように設定されている(図8、ステップS14参照)。
実測温度上昇率算出部63は、アノードオフガス温度T1を検出する温度センサ14と電気的に接続している。したがって、実測温度上昇率算出部63は、実際に燃料電池2から排出されたアノードオフガスの「実測温度上昇率ΔT1」を算出可能となっている。そして、この「実測温度上昇率ΔT1」は、解氷判定部62に送られるようになっている。
自己発熱量算出部64Aおよび自己発熱量データ記憶部64Bは、燃料電池2の発電量(電流と電圧)に基づいて、燃料電池2の自己発熱量を算出する部分(自己発熱量算出手段)である。
さらに説明すると、自己発熱量算出部64Aは、電流電圧検出器42と電気的に接続しており、発電する燃料電池2の発電量を監視可能となっている。また、自己発熱量算出部64Aは、自己発熱量データ記憶部64Bと電気的に接続しており、後記する自己発熱量データを適宜参照可能となっている。
非凍結温度上昇率算出部65A、非凍結温度上昇率データ記憶部65Bは、燃料電池2の自己発熱量に基づいて、燃料電池2内が非凍結状態である場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔT」を算出する部分(非凍結温度上昇率算出手段)である。
次に、第2実施形態に係る燃料電池システム1Bの動作について、図8を主に参照して説明する。
ステップS2においては、解氷判定部62が、凍結判断部66の判断結果(氷点下の経験があるか否か)に基づいて、燃料電池2内(燃料電池システム1Aの少なくとも一部)が凍結状態であるか否かを判定する。
「氷点下の経験がある」と判定した場合(S2、Yes)、解氷判定部62は、ポンプ制御部61に「氷点下運転条件」を指示し、ステップS3に進む。一方、「氷点下の経験がない」と判定した場合(S2、No)、解氷判定部62は、ポンプ制御部61に「通常運転条件」を指示し、ステップS5に進む。なお、ステップS2でフラグが「1」である場合は、第1の実施形態と同様に、「Yes」の判定後、フラグが「0」に戻される。
ステップS3においては、第1実施形態と同様に、ポンプ制御部61が、ポンプ21を「氷点下運転条件」で稼動させる。
その後、処理はステップS11に進む。
ステップS11においては、自己発熱量算出部64Aが、自己発熱量データ記憶部64Bの自己発熱量データを参照しつつ、電流電圧検出器42が検出した燃料電池2の発電量(電流、電圧)から、燃料電池2の自己発熱量を算出する(図6、矢印A1参照)。
そして、処理はステップS12に進む。
ステップS12においては、非凍結温度上昇率算出部65Aが、燃料電池2の自己発熱量に基づいて、アノードオフガスの流量を考慮して、燃料電池2内が非凍結状態である場合のアノードオフガスの「非凍結温度上昇率ΔT」を算出する(図7、矢印A2参照)。
そして、処理はステップS13に進む。
ステップS13においては、実測温度上昇率算出部63が、実際のアノードオフガス温度T1に基づいて、実際に排出されたアノードオフガスの「実測温度上昇率ΔT1」を算出する。
そして、処理はステップS14に進む。
ステップS14においては、解氷判定部62が、燃料電池2内が解氷したか否かを判定する。具体的には、「非凍結温度上昇率ΔT」と「実測温度上昇率ΔT1」との差の絶対値が閾値t(略ゼロ)以下の場合に、燃料電池2内が解氷したと判定する。なお、第2実施形態では、このような燃料電池2内の解氷を、燃料電池システム1B全体の解氷とみなしている。
「燃料電池2内は解氷した」と判定した場合(S14、Yes)、解氷判定部52は、ポンプ制御部61に「氷点下運転条件」から「通常運転条件」に切り換えるように指示し、ステップS5に進む。一方、「燃料電池2内は解氷していない」と判定した場合(S14、No)、ステップS3に進み、「氷点下運転条件」でのポンプ21の稼動は継続される。
ステップS5においては、第1実施形態と同様に、ポンプ21を「通常運転条件」で稼動させ、通常流量・通常圧力で空気(通常用反応ガス)を供給する。そして、処理はエンドに進み、燃料電池2の起動時の凍結判断、解氷判定は終了する。
また、本実施形態では、氷点を所定温度としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池が次回の起動において安定して起動ができなくなりうる温度(燃料電池の通常発電時のシステム温度より低い温度)を所定温度としてもよい。
2 燃料電池
11 水素タンク
12 エゼクタ
13 パージ弁
14 温度センサ(停止中温度検出手段)
15 流量計
21 ポンプ
22 温度センサ
31 ラジエータ
33 温度センサ
41 外気用温度センサ
50 ECU
51 ポンプ制御部(暖機手段)
52 解氷判定部(低温起動制御手段)
53 凍結判断部(低温判断手段)
54 停止中温度データ記憶部(記憶手段)
Claims (4)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの停止から起動までの間において、前記燃料電池システムの温度を検出する停止中温度検出手段と、
前記停止中温度検出手段で検出する温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記燃料電池の運転時の温度より低く、前記燃料電池システムが凍結したか否かの判断基準となる所定温度に達したことがあるか否かを判断する低温判断手段と、
前記燃料電池システムの起動時において、前記低温判断手段の判断結果が前記所定温度に達したことがあることを示すものである場合に、前記燃料電池の起動を促進させるべく、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するポンプを、通常運転条件よりも多流量・高圧力で酸化剤ガスを供給するように制御するポンプ制御部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記停止中温度検出手段で検出した温度を、蓄積して記憶する記憶手段を備え、
前記低温判断手段が、前記記憶手段で蓄積された温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記所定温度に達したことがあるか否かを判断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。 - 前記所定温度は、氷点であ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。
- 燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池システムの停止から起動までの間において、前記燃料電池システムの温度を検出する停止中温度検出工程と、
前記停止中温度検出工程で検出する温度に基づいて、前記燃料電池システムの停止中に前記燃料電池システムの温度が前記燃料電池の運転時の温度より低く、前記燃料電池システムが凍結したか否かの判断基準となる所定温度に達したことがあるか否かを判断する低温判断工程と、
前記燃料電池システムの起動時において、前記低温判断工程での判断結果が前記所定温度に達したことがあることを示すものである場合に、前記燃料電池の起動を促進させるべく、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するポンプを、通常運転条件よりも多流量・高圧力で酸化剤ガスを供給するように制御する低温起動制御工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
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