(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの出力電流が所定の目標電流値となるように該燃料電池スタックの発電量を制御する電流制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの内部温度を把握するスタック内部温度把握手段と、
前記燃料電池スタックの周囲温度を検出するスタック周囲温度検出手段と、
該スタック内部温度把握手段により把握された前記燃料電池スタックの内部温度が０℃以下であるときに、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱により燃料電池スタック内部の昇温が確保される最低必要電流値を、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに応じて逐次決定し、該最低必要電流値を前記目標電流値として設定する最低必要電流決定手段とを備え、
前記最低必要電流決定手段は、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに基づいて前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を把握し、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を超えるように、前記最低必要電流を決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池セル間に設けられた冷媒通路の入口から冷媒を供給すると共に該冷媒通路の出口から冷媒を回収して、該冷媒通路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段と、該入口付近の冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、該出口付近の冷媒の温度を検出する冷媒出口温度検出手段とを備え、
前記最低必要電流決定手段は、前記冷媒出口温度検出手段の検出温度と前記冷媒入口温度検出手段の検出温度との温度差に基づいて、前記冷媒通路内を循環する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量を把握し、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が、前記燃料電池スタックの外周からの放熱量と前記冷媒通路を循環する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量との合計熱量を超えるように、前記最低必要電流値を決定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記スタック内部温度把握手段は、前記冷媒入口温度検出手段の検出温度と前記冷媒出口温度検出手段の検出温度とのうちの少なくともいずれか一方に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、氷点下環境における発電に対応した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示したように、固体高分子型の燃料電池セル１００には、固体高分子電解質膜１０１と、その両側に設けられた触媒作用をもった水素電極１０２及び酸素電極１０３と、各電極１０２，１０３との間で反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）の供給路を形成するセパレータ１０４及び１０５とが備えられている。
【０００３】
そして、セパレータ１０４により形成された供給路１０６に供給された水素ガスＨ2は、水素電極１０２で電子ｅ-を放出して水素イオンＨ+となり、該水素イオンＨ+が固体高分子電解質膜１０１中を伝導する。一方、酸素電極１０３においては、セパレータ１０５により形成された供給路１０７に供給された空気中の酸素ガスＯ2と酸素電極１０３から供給される電子ｅ-と水素イオンＨ+とにより、以下の式（１）の反応が生じて水Ｈ2Ｏが生成される。
【０００４】
１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ  ・・・・・（１）
ここで、氷点下環境で燃料電池セル１００を起動するときは、上記式（１）で生成された水が酸素電極１０３で凍結して、高分子電解質膜１０１における水素イオンＨ+の伝導率が低下し、燃料電池セル１００の発電能力が低下するという不都合がある。
【０００５】
そこで、かかる不都合を解消するべく、氷点下環境で燃料電池を起動する際に燃料電池スタックを昇温させて生成水の凍結を防止する方法として、燃料電池セルの出力電流を増大させて発電に伴う発熱量を増加させる方法や、電気加熱手段により燃料電池スタックを加熱する方法、或いは燃料電池セルを冷却するために設けられた冷却通路中に加熱した冷媒を循環させて燃料電池セルを加熱する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２０００−５１２０６８号公報（第１０−１１頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、燃料電池セルを加熱するために、電気加熱手段や冷媒を加熱するための手段を備えた場合は、燃料電池システムのコストがアップすると共にシステム構成が複雑になるという不都合がある。また、燃料電池セルの出力電流を増大させる場合に、燃料電池セルの発電に伴う発熱量が不十分であると、生成水が酸素電極で凍結して起動不能になるという不都合がある。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる不都合を解消し、簡易な構成により、氷点下環境で起動を行う際に生成水の凍結が生じることを防止した燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、固体高分子型の燃料電池セルを複数個接続して構成された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの出力電流が所定の目標電流値となるように該燃料電池スタックの発電量を制御する電流制御手段とを備えた燃料電池システムの改良に関する。
【０００９】
そして、前記燃料電池スタックの内部温度を把握するスタック内部温度把握手段と、前記燃料電池スタックの周囲温度を検出するスタック周囲温度検出手段と、該スタック内部温度把握手段により把握された前記燃料電池スタックの内部温度が０℃以下であるときに、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱により燃料電池スタック内部の昇温が確保される最低必要電流値を、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに応じて逐次決定し、該最低必要電流値を前記目標電流値として設定する最低必要電流決定手段とを備え、前記最低必要電流決定手段は、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに基づいて前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を把握し、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を超えるように、前記最低必要電流を決定することを特徴とする。
【００１０】
かかる本発明によれば、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度が０℃以下となり、前記燃料電池スタックを発電動作させると、発電に伴って生成される水が前記燃料電池セル内で凍結し得る状態になったときには、前記最低必要電流決定手段により、前記燃料電池スタック内部の昇温が確保される前記最低必要電流値が前記目標電流値として設定される。この場合、前記燃料電池スタックの発電動作が前記燃料電池スタック内の昇温を伴って行われ、前記燃料電池スタック内の温度が上昇する。そのため、前記燃料電池スタックを構成する燃料電池セルにおいて発電により生成された水の凍結が防止され、前記燃料電池スタックの発電能力の低下や前記燃料電池スタックが起動不能となることを防止することができる。そして、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度に基づいて、前記最低必要電流値を逐次決定することにより、前記燃料電池スタックの状態や周囲温度の変化に適応して前記最低必要電流を変更することができる。
【００１２】
さらに、本発明においては、前記燃料電池スタックの内部温度に対して前記燃料電池スタックの周囲温度が低くなるほど、前記燃焼電池スタックの内部から外部に放熱される熱量が多くなる。そのため、前記最低必要電流値決定手段は、前記スタック内部温度把握手段により把握される前記燃料電池スタックの内部温度と前記スタック周囲温度検出手段の検出温度とに基づいて前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を把握することができる。そして、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が前記燃料電池スタックの外周からの放熱量を超えるように前記最低必要電流を決定することで、前記燃料電池スタック内の昇温を確保することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池セル間に設けられた冷媒通路の入口から冷媒を供給すると共に該冷媒通路の出口から冷媒を回収する冷媒供給手段と、該入口付近の冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、該出口付近の冷媒の温度を検出する冷媒出口温度検出手段とを備え、前記最低必要電流決定手段は、前記冷媒出口温度検出手段の検出温度と前記冷媒入口温度検出手段の検出温度との温度差に基づいて、前記冷媒通路を流通する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量を把握し、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が、前記燃料電池スタックの外周からの放熱量と前記冷媒通路を流通する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量との合計熱量を超えるように、前記最低必要電流値を決定することを特徴とする。
【００１４】
かかる本発明においては、前記冷媒通路内を循環する冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量が大きいほど前記冷媒通路を通過する際の冷媒の温度低下幅が大きくなるため、前記冷媒出口温度検出手段の検出温度と前記冷媒入口温度検出手段の検出温度との温度差が大きくなる。そのため、前記最低必要電流決定手段は、前記冷媒出口温度検出手段の検出温度と前記冷媒入口温度検出手段の検出温度との温度差に基づいて、冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量を把握することができる。そして、前記燃料電池スタックの発電に伴う発熱量が、前記燃料電池スタックからの放熱量と冷媒による前記燃料電池スタックからの吸熱量との合計熱量を超えるように前記最低必要電流値を決定することで、前記燃料電池スタック内の昇温を確保することができる。
【００１５】
また、前記スタック内部温度把握手段は、前記冷媒入口温度検出手段の検出温度と前記冷媒出口温度検出手段の検出温度とのうちの少なくともいずれか一方に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握することを特徴とする。
【００１６】
かかる本発明によれば、前記燃料電池スタックの内部温度が変化すると、前記燃料電池スタック内の前記冷媒通路内を循環する冷媒の温度も変化し、その変化に応じて前記冷媒入口温度検出手段の検出温度と前記冷媒出口温度検出手段の検出温度も変化する。そのため、前記スタック内部温度把握手段は、前記冷媒入口温度検出手段の検出温度と前記冷媒出口温度検出手段の検出温度とのうちの少なくともいずれか一方に基づいて、前記燃料電池スタックの内部温度を把握することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。図１は燃料電池システムの全体構成図、図２は燃料電池スタックの起動時の制御フローチャート、図３は燃料電池スタックの周囲温度Ｔsと冷媒温度Ｔwをパラメータとして燃料電池スタックの外周からの放熱量を決定するためのグラフ、図４は燃料電池スタックの発電に伴う発熱量と出力電流値との関係を示したグラフである。
【００１８】
図１に示したように、燃料電池スタック１には、水素タンク２から水素供給管３を介して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ４から空気供給管５を介して空気が供給される。また、水素供給管３には、水素の供給量を調節する可変バルブ６と水素に加湿する加湿器８が設けられ、空気供給管５には、空気の供給量を調節する可変バルブ７と空気に加湿する加湿器９が設けられている。
【００１９】
さらに、燃料電池１の出力電圧Ｖfcを検出する電圧検出器１０、燃料電池１の出力電流Ｉfcを検出する電流検出器１１、燃料電池１と接続された冷媒通路１２内に冷媒を循環させて燃料電池１を冷却する冷却ポンプ１５（本発明の冷媒循環手段に相当する）、冷媒通路１２の途中に設けられた放熱器１６、燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsを検出するスタック周囲温度センサ１７（本発明のスタック周囲温度検出手段に相当する）、冷媒通路１２の燃料電池スタック１の入口付近における冷媒の温度Ｔwinを検出する冷媒入口温度センサ１８（本発明の冷媒入口温度検出手段に相当する）、冷媒通路１２の燃料電池スタック１の出口付近における冷媒の温度Ｔwoutを検出する冷媒出口温度センサ１９（本発明の冷媒出口温度検出手段に相当する）、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcを制御するための可変抵抗２１、及び燃料電池スタック１の作動を制御するコントローラ３０が備えられている。
【００２０】
そして、電圧検出器１０の電圧検出信号、電流検出器１１の電流検出信号、スタック温度センサ１７の温度検出信号、冷媒入口温度センサ１８の温度検出信号、及び冷媒出口温度センサ１９の温度検出信号がコントローラ３０に入力され、コントローラ３０から出力される制御信号によって、エアコンプレッサ４、可変バルブ６，７、加湿器８，９、冷却ポンプ１５、及び可変抵抗２１の設定、作動が制御される。
【００２１】
次に、燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜とその両側に設けられた触媒作用を持った水素電極及び酸素電極からなる膜電極構造体４０と、セパレータ４１とを複数積層して構成される。なお、膜電極構造体４０とその両側のセパレータ４１により、燃料電池セルの１単位が構成される。
【００２２】
また、コントローラ３０には、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcが電気負荷の要求電力等に応じて設定される目標電流と一致するように、燃料電池スタック１の発電量を制御する電流制御手段３１と、発電に伴う発熱により燃料電池スタック１内部の昇温が確保される最低必要電流を決定する最低必要電流決定手段３２とが備えられている。
【００２３】
ここで、燃料電池スタック１の発電時には、反応ガスである水素と酸素（空気中に含まれる）との間で化学反応が生じて、可変抵抗２１及び他の電気負荷（図示しない）に電流が供給される。また、該化学反応に伴って水が生成される。そして、氷点下環境で燃料電池スタック１を起動するときに、該化学反応により生成された水が膜電極構造体４０の表面等で凍結すると、膜電極構造体４０における水素イオンの透過率が低下して、燃料電池スタック１の起動が不能となる。或いは燃料電池スタック１の発電能力が低下する。
【００２４】
そこで、コントローラ３０に備えられた電流制御手段３１と最低必要電流決定手段３２とは、氷点下環境での燃料電池スタック１の起動に対処するための処理を実行する。以下、図２に示したフローチャートに従って、該処理について説明する。
【００２５】
燃料電池スタック１の起動指示がなされると、コントローラ１はＳＴＥＰ１で冷媒循環ポンプ１５を起動して冷媒通路１２中の冷媒の循環を開始する。そして、電流制御手段３１は、ＳＴＥＰ２で冷媒入口温度センサ１８により燃料電池スタック１の入口側の冷媒の温度Ｔwinを測定する。そして、次のＳＴＥＰ３でＴwinが０℃よりも高かったときは、ＳＴＥＰ２０に分岐して、電流制御手段３１は「通常電流出力制御」を実行する。「通常電流出力制御」において、電流制御手段３１は、電気負荷からの要求電流に応じた出力電流Ｉfcが得られるように、燃料電池スタック１への水素と空気の供給流量を制御する。
【００２６】
なお、Ｔwinは燃料電池スタック１の内部温度を把握して、氷点下環境であるか否かを判断するために測定され、この場合、冷媒入口温度センサ１８は本発明のスタック内部温度把握手段に相当し、Ｔwinは本発明のスタック内部温度把握手段により把握された燃料電池スタック１の内部温度に相当する。また、Ｔwinを燃料電池スタック１の内部温度として把握する他、冷媒出口温度センサ１９の検出温度Ｔwoutを燃料電池スタック１の内部温度として把握してもよく、ＴwinとＴwoutの双方を用いて、例えばＴwinとＴwoutの平均値を燃料スタック１の内部温度として把握してもよい。
【００２７】
一方、ＳＴＥＰ３でＴwinが０℃以下であったときには、ＳＴＥＰ４に進む。ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ１０は最低必要電流決定手段３２による処理である。最低必要電流決定手段３２は、ＳＴＥＰ４で、冷媒出口温度センサ１９により冷媒通路１２の燃料電池スタック１の出口付近における冷媒の温度Ｔwoutを測定すると共に、スタック周囲温度センサ１７により燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsを測定する。
【００２８】
そして、次のＳＴＥＰ５で、最低必要電流決定手段３２は、燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsを算出する。具体的には、最低必要電流決定手段３２は、図３（ａ）に示したグラフに冷媒温度Ｔw（燃料電池スタック１の入口側の冷媒の温度Ｔwin又は燃料電池スタック１の出口側の冷媒の温度Ｔwout、本発明のスタック内部温度把握手段により把握された燃料電池スタックの内部温度に相当する）と、燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsとを適用して、燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsを取得する。
【００２９】
図３（ａ）に示したグラフの縦軸は燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsに設定され、横軸は燃料電池スタック１の周囲温度Ｔsに設定されている。そして、Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3，Ｍ4は、それぞれ、冷媒温度Ｔwが−２０℃，−１０℃，０℃，３０℃であるときのＱsとＴsの相関曲線である。例えば、Ｔw＝−１０℃でＴs＝−２０℃であるときは、Ｍ2のグラフが選択され、Ｔs＝−２０℃に対応したＱ1が放熱量Ｑsとして取得される。
【００３０】
なお、図３（ａ）に示したグラフは実験やコンピュータシミュレーションに基づいて作成されたものであり、該グラフをマップ化したデータが、予めコントローラ３０のメモリ（図示しない）に記憶されている。
【００３１】
続くＳＴＥＰ６で、最低必要電流決定手段３２は、冷媒通路１２内を循環する冷媒による燃料電池スタック１からの吸熱量Ｑcを算出する。具体的には、最低必要電流決定手段３２は、以下の式（２）によりＱcを算出する。
【００３２】
Ｑc ＝ （Ｔwout−Ｔwin）×（冷媒の比熱）×（冷媒の比重）×（冷媒の流量）
・・・・・（２）
なお、冷媒の流量は、燃料電池スタック１の起動時は燃料電池スタック１が許容し得る最低流量に設定され、その後は、図３（ｂ）に示したグラフの冷媒流量と燃料電池の出力電流Ｉfcの相関直線Ｎに従って、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcに応じて設定される。図３（ｂ）に示したグラフは、縦軸が冷媒流量に設定され、横軸が燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcに設定されている。
【００３３】
そして、最低必要電流決定手段３２は、ＳＴＥＰ７で電流補正値αを算出し、ＳＴＥＰ８で最低必要電流値Ｉfcを決定する。ここで、最低必要電流値Ｉfcnは、燃料電池１の発電に伴う発熱量が以下の式（３）で算出される総放熱量Ｑtを超えるように設定される。
【００３４】
Ｑt ＝ Ｑs ＋ Ｑc    ・・・・・（３）
具体的には、最低必要電流決定手段３２は、以下の式（４）により、総放熱量Ｑtが得られる出力電流値Ｉfcqに、膜電極構造体４０の印加可能電流や電力消費量、目標とする昇温幅等を考慮して決定した電流補正αを加算して、最低必要電流値Ｉfcnを決定する。
【００３５】
Ｉfcn ＝ Ｉfcq ＋ α    ・・・・・（４）
図４は、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcと発電に伴う発熱量との関係を説明したグラフであり、縦軸が燃料電池スタック１の出力電圧Ｖfcに設定され、横軸が燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcに設定されている。また、Ｌ1は燃料電池スタック１の出力電流／電圧特性（Ｉ／Ｖ特性）を示す相関曲線であり、Ｌ2はＶfc＝Ｖfcb（Ｖfcbは燃料電池セルの起動電圧）の直線、Ｌ3はＩfc＝Ｉfc1の直線、Ｌ4はＩfc＝Ｉfc2の直線である。
【００３６】
図４において、燃料電池スタック１の出力電流ＩfcがＩfc1であるときは、発電に伴う発熱量はＬ1とＬ2とＬ3で囲まれたαの面積に応じたものとなる。そして、燃料電池スタック１の出力電流ＩfcがＩfc2に増加すると、発電に伴う発熱量はＬ1とＬ2とＬ3とＬ4で囲まれたβの面積に応じた分増加する。
【００３７】
そして、ＳＴＥＰ９で、最低必要電流値Ｉfcnが出力可能電流以下であるか否かが判断される。ここで、出力可能電流は、燃料電池スタック１において、燃料電池システムが要求する最低電圧を満たしながら出力可能な最大電流値である。そして、ＳＴＥＰ９で最低必要電流値Ｉfcnが出力可能電流以下であったときはＳＴＥＰ１０に進み、最低必要電流値決定手段３２は最低必要電流値Ｉfcnを目標電池値に設定する。
【００３８】
これにより、次のＳＴＥＰ１１で、電流制御手段３１によって、燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcが最低必要電流値Ｉfcnとなるように燃料電池スタック１の作動が制御され。そして、ＳＴＥＰ１１からＳＴＥＰ２に戻って、ＳＴＥＰ２以下の処理が繰り返し実行され、ＳＴＥＰ８で最低必要電流値Ｉfcnが逐次更新されてＳＴＥＰ１１で燃料電池スタック１の出力電流Ｉfcが最低必要電流値Ｉfcnに制御される。
【００３９】
このように、最低必要電流値Ｉfcnは、燃料電池スタック１の外周温度Ｔsと冷媒通路１２の燃料電池スタック１の入口付近における冷媒の温度Ｔwinと冷媒通路１２の燃料電池スタック１の出口付近における冷媒の温度Ｔwoutとに応じて、逐次更新されていく。そして、これにより、無駄な電力消費を抑制しつつ、燃料電池スタック１の内部温度の昇温を確保できる最低必要電流値１を決定することができる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、上記式（２）〜式（４）により、燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsと冷媒による吸熱量Ｑcとに基づいて最低必要電流値Ｉfcnを決定したが、燃料電池スタック１の外周からの放熱量Ｑsのみに基づいて最低必要電流値Ｉfcnを決定する場合にも、本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】燃料電池システムの全体構成図。
【図２】燃料電池スタックの起動時の制御フローチャート。
【図３】燃料電池スタックの周囲温度Ｔsと冷媒温度Ｔwをパラメータとして燃料電池スタックの外周からの放熱量を決定するためのグラフ。
【図４】燃料電池スタック発電に伴う発熱量と出力電流値との関係を示したグラフ。
【図５】燃料電池セルの構造図。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池スタック、２…水素タンク、３…水素供給管、４…エアコンプレッサ、５…空気供給管、６，７…可変バルブ、８，９…加湿器、１０…電圧検出器、１１…電流検出器、１２…冷媒通路、１５…冷却ポンプ、１７…スタック温度センサ、１８…冷媒入口温度センサ、１９…冷媒出口温度センサ、２１…可変抵抗、３０…コントローラ、３１…電流制御手段、３２…最低必要電流決定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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