(57)【要約】【課題】燃料電池の温度に応じて適切な始動時運転を行うことが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２０に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システム１であって、燃料電池２０内に冷却水をポンプＣ１によって循環させる構造を有し、低温始動時に、燃料電池２０による発電を禁止した状態にてポンプＣ１を駆動させ、燃料電池２０から送り出される冷却水の温度から燃料電池２０の内部温度を測定する制御部５０を備える。【選択図】図１
2010182489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池内に冷却媒体をポンプによって循環させる冷却系と、
低温始動時に、前記燃料電池による発電を禁止した状態にて前記冷却系のポンプを駆動させ、前記燃料電池から送り出された冷却媒体の温度から前記燃料電池の内部温度を推定する制御部とを備えている燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の出口側における冷却媒体の温度のピーク値あるいは前記ポンプの駆動開始から所定時間経過後における前記燃料電池の出口側における冷却媒体の温度を前記燃料電池の内部温度と推定する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記所定時間は、前記ピーク値に達するまでの時間の前後に設定される燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、推定した前記燃料電池の内部温度が所定温度以下である場合に、前記ポンプを停止させて前記燃料電池による発電を開始させる燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、推定した前記燃料電池の内部温度が所定温度以下である場合に、前記ポンプを逆転させて前記燃料電池による発電を開始させる燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプの逆転は、正回転により前記燃料電池から送り出された冷却媒体が前記燃料電池に戻るまでの所定時間実施される燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４から請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記所定温度は、冷却媒体を循環させると前記燃料電池が更に冷却されて当該燃料電池の始動に不具合が生じる温度である燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
【０００３】
この種の燃料電池システムには、燃料電池を構成するスタック内へ冷却水を循環させて冷却する冷却系を有している。
このような冷却系を備えた燃料電池システムにおいて、冷却配管の入口及び出口に設けた温度センサから温度検出値を読み込むと共に、冷却液ポンプからトルク値及び回転速度を読み込み冷却液ポンプの運転状態に基づいて、燃料電池スタックの温度推定を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
また、燃料電池の内部温度を測定する温度センサを設け、燃料電池の内部温度によって冷却水ポンプの駆動を制御するものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３４９０６号公報
【特許文献２】特開２００３−３６８７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池は、複数のセルを積層させ、これらセルの両側からエンドプレートを締め付けてスタックとした構造であるので、特許文献２のように、内部に温度センサを設けることは困難であった。このため、特許文献１のように、冷却液の入口及び出口の温度と冷却液ポンプの運転状態に基づいて、燃料電池内の温度を推定しているが、始動前などの冷却液が流れていない運転停止時では、内部の温度と冷却液の入口及び出口の温度とが食い違い、内部の温度を正確に把握することが困難であった。そして、低温始動時においては、燃料電池内部に循環する冷却水によって燃料電池の温度をさらに低下させてしまい、始動性を低下させることがあった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の温度に応じて適切に運転を行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、前記燃料電池内に冷却媒体をポンプによって循環させる冷却系と、低温始動時に、前記燃料電池による発電を禁止した状態にて前記冷却系のポンプを駆動させ、前記燃料電池から送り出された冷却媒体の温度から前記燃料電池の内部温度を推定する制御部とを備えている。
【０００８】
始動時においては、燃料電池と燃料電池内に残留する冷却媒体との温度は一致しているので、燃料電池による発電を禁止した状態で冷却系のポンプを駆動させ、これにより燃料電池から送り出された冷却媒体の温度を測定すれば、低温始動時（例えば、氷点下での始動時）であっても、燃料電池の内部温度を高精度に推定することができる。そして、高精度に推定した燃料電池の内部温度に基づいて、燃料電池での発電を適切に制御することができる。
【０００９】
前記制御部は、前記燃料電池の出口側における冷却媒体の温度のピーク値あるいは前記ポンプの駆動開始から所定時間経過後における前記燃料電池の出口側における冷却媒体の温度を前記燃料電池の内部温度と推定するものでも良い。
【００１０】
燃料電池の出口側における冷却媒体の温度は、ポンプの駆動開始時に燃料電池から送り出された相対的に温度の高い冷却水によって上昇し、その後、冷却系内を冷却媒体が循環することによって次第に平均化されることとなる。したがって、燃料電池の出口側における冷却媒体の温度のピーク値あるいはポンプ駆動開始から所定時間経過後における冷却媒体の温度を燃料電池の内部温度と推定することができる。なお、前記所定時間は、前記ピーク値に達するまでの時間の前後に設定されてもよい。
【００１１】
前記制御部は、推定した前記燃料電池の内部温度が所定温度以下である場合に、前記ポンプを停止させて前記燃料電池による発電を開始させても良い。
【００１２】
かかる構成とすることによって、冷却媒体を循環させることによる燃料電池の更なる冷却を抑制し、燃料電池の始動性を向上させることができる。
【００１３】
前記制御部は、推定した前記燃料電池の内部温度が所定温度以下である場合に、前記ポンプを逆転させて前記燃料電池による発電を開始させても良い。ここで、前記ポンプの逆転は所定時間実施されるものであり、この所定時間は、前記ポンプが正回転したことにより前記燃料電池から送り出された冷却媒体が当該燃料電池に戻るまでの時間とすることができる。
また、前記所定温度は、冷却媒体を循環させると前記燃料電池が更に冷却されて当該燃料電池の始動に不具合（例えば、燃料電池内の凍結、燃料電池から排出された酸化オフガスの凝縮等）が生じる温度でもよい。
【００１４】
かかる構成では、燃料電池から送り出された冷却媒体を再度燃料電池内へ戻すことによって燃料電池の更なる冷却を抑制することが可能となり、始動性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度に応じて適切な始動時運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すシステム構成図である。
【図２】制御部による燃料電池の制御を示すフローチャートである。
【図３】温度センサの検出結果による燃料電池の内部温度の予測の仕方を示す図である。
【図４】制御部による低温時始動モードでの制御を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池の内部温度の測定の仕方を示すグラフ図である。
【図６】燃料電池の内部温度の測定の仕方を示すグラフ図である。
【図７】低温時始動モードにおけるポンプの制御を説明するグラフ図である。
【図８】低温時始動モードにおけるポンプの他の制御を説明するグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成を説明する。この燃料電池システム１は燃料電池車両の車載発電システムであるが、車載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。
【００１８】
図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿装置Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータＭによって駆動される。このモータＭは、制御部５０によって駆動制御される。
【００１９】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、及び圧力調整弁Ａ４が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧器として機能する。
【００２０】
圧力センサＰ４，Ｐ１の検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００２１】
燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の検出信号も制御部５０に供給される。
【００２２】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。
【００２３】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００２４】
水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００２５】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２６】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
本実施形態の冷却系は、これら冷却路７３、温度センサＴ１，Ｔ２、ラジエータ（熱交換器）Ｃ２、ポンプＣ１、及び冷却ファンＣ１３を備えて構成されている。
【００２７】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００２８】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００２９】
次に、制御部５０による燃料電池システムの始動時の制御を説明する。
図２は制御部５０による燃料電池の制御を示すフローチャートである。
制御部５０は、燃料電池２０の冷却水出入口に設けられた温度センサＴ１，Ｔ２によって燃料電池２０における冷却水の出口温度ｔ１及び入口温度ｔ２を求める（ステップＳ０１）。
【００３０】
これら出口温度ｔ１及び入口温度ｔ２からそれぞれ暫定的に予測される燃料電池２０の内部温度の範囲ｔ１ａ，ｔ２ａを実験結果やシミュレーション結果等に基づいて求め、図３に示すように、これら内部温度の範囲ｔ１ａ，ｔ２ａが重なる範囲を燃料電池２０の暫定的な予測内部温度ｔｅ（以下、「暫定予測内部温度ｔｅ」という。）とする（ステップＳ０２）。
【００３１】
次に、この暫定予測内部温度ｔｅを、予め設定した始動モード判定温度ｔｈと比較する（ステップＳ０３）。この始動モード判定温度ｔｈは、ポンプＣ１を駆動させて燃料電池２０に冷却水を供給した場合に燃料電池２０が更に冷却されて氷点下になる可能性のある温度である。
【００３２】
この比較の結果、暫定予測内部温度ｔｅが始動モード判定温度ｔｈ以下であると判定（ステップＳ０３で「ＹＥＳ」）されると、制御部５０は低温時始動モードにて燃料電池システム１を始動させる（ステップＳ０４）。
これに対して、暫定予測内部温度ｔｅが始動モード判定温度ｔｈよりも高いと判定（ステップＳ０３で「ＮＯ」）されると、制御部５０は通常始動モードにて燃料電池システム１を始動させる（ステップＳ０５）。
【００３３】
この通常始動モードでは、ポンプＣ１が駆動されて燃料電池２０に冷却水が循環され、この状態にて、燃料電池２０に供給される燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電が行われる。
【００３４】
次に、低温時始動モードでの燃料電池システム１の始動制御について説明する。
図４は、制御部５０による低温時始動モードでの制御内容を具体的に示したフローチャートである。
【００３５】
低温時始動モードにおいては、まず、ポンプＣ１が駆動され、冷却水の循環が開始される（ステップＳ１１）。この時点で燃料電池２０への燃料ガスおよび酸化ガスの供給は開始しない。
次いで、温度センサＴ１による冷却水の出口温度ｔ１が監視され、この出口温度ｔ１から、燃料電池２０の内部温度ｔｎが推定される（ステップＳ１２）。
【００３６】
一般に、燃料電池２０は熱容量が大きく、また、スタックケースなどに覆われているため、燃料電池２０に接続されている配管、例えば冷却路７３を画成する配管よりも冷却され難い傾向にある。したがって、図５に示すように、出口温度ｔ１は、燃料電池２０から送り出された相対的に温度の高い冷却水によって上昇し、その後、燃料電池２０内の冷却水流路及び冷却路７３を冷却水が循環することによって次第に平均化されることとなる。
【００３７】
このような現象から、出口温度ｔ１の上昇は、燃料電池２０内の残存冷却水によるものと推定することができる。したがって、本実施形態では、このときの出口温度ｔ１のピーク値（最大値）を燃料電池２０の内部温度ｔｎと推定する。
【００３８】
ただし、燃料電池２０から送り出された冷却水が、冷却路７３内の冷却水よりも低温である場合もあり、かかる場合には、燃料電池２０から送り出された相対的に温度の低い冷却水によって出口温度ｔ１が下がり、その後、燃料電池２０内の冷却水流路及び冷却路７３を冷却水が循環することにより、出口温度ｔ１が次第に平均化されることとなる。
したがって、この場合は、出口温度ｔ１のボトム値（最小値）を燃料電池２０の内部温度ｔｎと推定する。
【００３９】
なお、図６に示すように、ポンプＣ１の駆動開始時点から燃料電池２０内の冷却水が温度センサＴ１の設置場所まで流れてくるまでの平均時間Ｔにおける出口温度ｔ１、すなわち、燃料電池２０内の冷却水出口側に残留していた冷却水が温度センサＴ１の設置場所に到達したとき（図６中の時点Ａ）と、燃料電池２０内の冷却水入口側に残留していた冷却水が温度センサＴの設置場所に到達したとき（図６の時点Ｂ）とを平均した時点における出口温度ｔ１、あるいは時点Ａから時点Ｂの間の特定の瞬間における出口温度ｔ１を燃料電池２０の内部温度ｔｎとしても良い。
【００４０】
そして、制御部５０は、上述のごとく燃料電池２０の内部温度ｔｎを推定したら、この内部温度ｔｎを、予め設定した循環判定温度ｔｊと比較する（ステップＳ１３）。
【００４１】
ここで、燃料電池２０の内部温度ｔｎが循環判定温度ｔｊ以下の温度領域とは、冷却水を循環させて燃料電池２０を冷却させると燃料電池２０が低温となり過ぎて円滑な始動に不具合が生じる無循環領域温度である。つまり、冷却水にはグリセリン等の氷点降下剤が含まれていて０℃以下になり得るため、低温の冷却水が燃料電池２０に供給されると、燃料電池２０の内部が凍結したり、排気路７２内で水分が凝縮する等して、燃料電池２０の円滑な始動に不具合が生じることがある。
【００４２】
一方、燃料電池２０の内部温度ｔｎが循環判定温度ｔｊよりも高い温度領域とは、冷却水を循環させても燃料電池２０が低温となり過ぎることがなく、上記不具合を生じることなく燃料電池２０を始動することが可能な循環領域温度である。
【００４３】
この比較の結果、図７に示すように、燃料電池２０の内部温度ｔｎを把握した時点にて、その内部温度ｔｎが循環判定温度ｔｊ以下であれば（ステップＳ１３で「ＹＥＳ」）、ポンプＣ１を停止させることにより、燃料電池２０の冷却を停止させる（ステップＳ１４）。
【００４４】
そして、このようにポンプＣ１を停止させた状態にて、燃料電池２０に燃料ガス及び酸化ガスを供給して発電を開始させる（ステップＳ１５）。
これに対して、内部温度ｔｎが循環判定温度ｔｊより高ければ（ステップＳ１３で「ＮＯ」）、ポンプＣ１の運転を継続させて燃料電池２０の冷却を行いつつ、燃料電池２０に燃料ガス及び酸化ガスを供給して発電を開始させる（ステップＳ１５）。
【００４５】
以上、説明したように、上記実施形態にかかる燃料電池システムによれば、低温始動時に、燃料電池２０による発電を禁止した状態にてポンプＣ１を駆動させ、燃料電池２０から送り出される冷却水の温度から燃料電池２０の内部温度ｔｎを推定している。したがって、始動時に燃料電池２０内の内部温度ｔｎを高精度に推定することが可能となり、燃料電池２０の発電制御を適切に行なうことができる。
【００４６】
また、燃料電池２０内から送り出された冷却水の温度のピーク値あるいはポンプＣ１の駆動開始から所定時間経過後における冷却水の温度を燃料電池２０の内部温度ｔｎと推定しているので、たとえ低温始動時であっても燃料電池２０の内部温度ｔｎを極めて高精度に推定することができる。
【００４７】
そして、燃料電池２０の内部温度ｔｎを把握した時点にて、その内部温度ｔｎが循環領域温度ｔｊ以下である場合に、ポンプＣ１を停止させて燃料電池２０による発電を開始させるので、冷却水を循環させることによる燃料電池２０の更なる冷却を抑制することができる。これにより、燃料電池２０を急速に昇温させることが可能となり、氷点下などの低温時における始動性を向上させることができる。
【００４８】
なお、上記実施形態では、燃料電池２０の内部温度ｔｎを把握した時点にて、その内部温度ｔｎが循環領域温度ｔｊ以下であったときに、ポンプＣ１を停止させて燃料電池２０の更なる冷却を中止することで低温での始動性を高めたが、例えば図８に示すように、燃料電池２０の内部温度ｔｎを把握した時点にて、その内部温度ｔｎが循環領域温度ｔｊ以下であったときには、ポンプＣ１を正転させた時間だけ逆転させても良い。
【００４９】
このようにすると、燃料電池２０から冷却路７３に送り出された相対的に温度の高い冷却水が燃料電池２０に一旦戻されることとなる。これにより、低温時に冷却水を循環させることにより生じる燃料電池２０の冷却をより一層効果的に抑制し得て、燃料電池２０を急速に昇温させることが可能になるので、特に氷点下などの極低温時における始動性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１…燃料電池システム、２０…燃料電池、５０…制御部、７３…冷却路（冷却系）、Ｃ１…ポンプ。
【図１】
2010182489.tif 000003
【図２】
2010182489.tif 000004
【図３】
2010182489.tif 000005
【図４】
2010182489.tif 000006
【図５】
2010182489.tif 000007
【図６】
2010182489.tif 000008
【図７】
2010182489.tif 000009
【図８】
2010182489.tif 000010