(57)【要約】【課題】燃料電池を過加熱することなく暖機できる燃料電池システムであって、システムの軽量化を図ることを目的とする。【解決手段】少なくとも２以上の燃料電池と、前記燃料電池において発電された電力を交流電圧に変換する交流電圧変換装置と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された第一の燃料電池の温度が所定温度以下の際に、第一の燃料電池以外の燃料電池において発電された電力を交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池に印加する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。【選択図】図１
2007095355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２以上の燃料電池と、
前記燃料電池において発電された電力を交流電圧に変換する交流電圧変換装置と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された第一の燃料電池の温度が所定温度以下の際に、第一の燃料電池以外の燃料電池において発電された電力を交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池に印加する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、第一の燃料電池以外の燃料電池において発電された電力を交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池に印加する第一工程と、
前記第一の燃料電池への交流電圧の印加を停止する第二工程と、
前記第一の燃料電池において発電された電力を交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池以外の燃料電池の中で最も温度が低い燃料電池に印加する第三工程と、を繰り返し行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の発電電力を検出する電力検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記第一の燃料電池以外の燃料電池のうち前記電力検出手段によって検出された電力が最も大きい燃料電池から発電された電力を前記交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池に印加することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の電圧を調整する電圧調整手段を更に備え、
前記電圧調整手段は、発電した電力を交流電圧変換装置に導かれる燃料電池の電圧が前記第一の燃料電池より高くなるように調整することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、水素等の燃焼ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させて、電気エネルギを得るものである。前記燃料電池システムは、発電可能な動作温度が定まっているため、起動時等、燃料電池が発電可能な温度に達していない場合には燃料電池を加熱昇温（暖機）させて、素早く発電可能な温度に暖機する構成を備えたものがある。
【０００３】
第一の従来技術として、複数の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、任意の燃料電池を燃焼器によって暖機し、暖機された燃料電池によって発電された電力をヒータに供給し、このヒータで他の燃料電池を暖機する燃料電池システムがある。この燃料電池システムによれば、燃焼器によって暖機された任意の燃料電池から得られる電力を用いて他の燃料電池を暖機することができる（特許文献１参照）。
【０００４】
また、第二の従来技術として、バッテリーから供給される直流電流を交流電流に変換して燃料電池に印加し、燃料電池の内部の氷や固体高分子膜を誘電損失により加熱する燃料電池システムがある。この燃料電池システムによれば、交流電圧の印加によって燃料電池の内部の氷又は高分子膜を直接加熱して、燃料電池を暖機させることができる（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２０００−２９４２６３号公報
【特許文献２】特開２００４−１２７７５８号公報
【特許文献３】特開２００１−１８９１６４号公報
【特許文献４】特開２００３−５１３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記従来技術は、以下の問題点がある。第一の従来技術は、ヒータを用いるため、燃料電池を過加熱するおそれがあるとともに、加熱すべき以外の部分を加熱するため暖機に時間を要するおそれがある。また、第二の従来技術は、交流電圧を用いるため、燃料電池の過加熱を防ぐことができるものの、暖機運転をするためのバッテリーを必要とするため、システム全体が重量化する問題点がある。
【０００６】
本発明は、前記種々の問題に鑑みて為されたものであり、燃料電池を過加熱することなく効率よく暖機できる燃料電池システムであって、システムの軽量化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも２以上の燃料電池と、前記燃料電池において発電された電力を交流電圧に変換する交流電圧変換装置と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された第一の燃料電池の温度が所定温度以下の際に、第一の燃料電池以外の燃料電池において発電された電力を交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池に印加する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
この燃料電池システムは、複数の燃料電池の温度を検出し、暖機運転が必要な所定温度以下の第一の燃料電池に対して、他の燃料電池において発電された電力を交流電圧変換装置によって交流電圧に変換して印加する。すなわち、２以上の燃料電池のうち１の燃料電池において発電した電力を用いて、他の燃料電池に交流電圧を印加して暖機することができる。
【０００９】
この交流電圧の印加により、第一の燃料電池を構成するＭＥＡ（Membarane Electrode Assembly）の電解質膜を効率よく直接加熱することができ、速やかに燃料電池を昇温させ通常運転することが可能となる。さらに、交流電圧によって加熱するため、ＭＥＡ全体を均一に加熱でき、一部分の過加熱を防ぐことが可能となる。更に、燃料電池自体の発電電力を用いて暖機するため、暖機を行うためのヒータ、バッテリー等の加熱機器が不要となり、従来のシステムと比較してシステムの軽量化を図ることが可能となる。
【００１０】
前記所定温度とは、暖機運転が必要とされるか否かを判断するための閾値となる温度である。前記第一の燃料電池には、複数の燃料電池のうち暖機運転すべき燃料電池を設定すればよく、例えば燃料電池の温度を検出する温度検出手段を設け、検出された温度が最も低い燃料電池を第一の燃料電池として交流電圧の印加によって加熱するように構成することが望ましい。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記制御手段が、第一の燃料電池以外の燃料電池において発電された電力を交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池に印加する第一工程と、前記第一の燃料電池への交流電圧の印加を停止する第二工程と、前記第一の燃料電池において発電された電力を交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池以外の燃料電池の中で最も温度が低い燃料電池に印加する第三工程と、を繰り返し行うことを特徴とすることが望ましい。
【００１２】
前記第一工程は、第一の燃料電池以外の燃料電池において発電された電力を交流電圧に変換して第一の燃料電池に印加し、第一の燃料電池を暖機する工程である。前記第二工程は、第一の燃料電池への交流電圧の印加を停止する工程であり、第一の燃料電池が発電可能な温度に昇温した際に行う。前記第三工程は、第二工程で暖機された第一の燃料電池で発電された電力を用いて、他の燃料電池を暖機する工程である。第三工程で暖機する燃料電池は、温度検出手段によって検出された温度が最も低い燃料電池が望ましく、これにより、低温で発電不可能な燃料電池を優先的に効率よく暖機することができる。
【００１３】
本発明は前記第一から第三工程を繰り返し行うことにより、任意の燃料電池によって発電された電力を用いて他の燃料電池を暖機することができ、ヒータ、断熱器等の加熱機器を用いずに更に効率よく燃料電池を暖機させることが可能となる。また、前記第一から第三工程を繰り返す過程において、暖機する第一の燃料電池は適宜に変更すべきであり、例えば、第一工程の前に、全ての燃料電池の温度を温度検出手段によって検出し、検出された温度が最も低い温度の燃料電池を第一の燃料電池と設定する工程を設けてもよい。第一の燃料電池を設定する工程を更に備えることにより、暖機運転が必要な燃料電池を適宜に設定可能となり、効率よく複数の燃料電池を暖機することが可能となる。
【００１４】
さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の発電電力を検出する電力検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記第一の燃料電池以外の燃料電池のうち前記電力検出手段によって検出された電力が最も大きい燃料電池から発電された電力を前記交流電圧変換装置に導き、変換された交流電圧を第一の燃料電池に印加することを特徴とすることが望ましい。
【００１５】
前記構成により、電力検出手段によって検出された発電電力が最も大きい燃料電池の電
力を交流電圧に変換し、当該交流電圧を第一の燃料電池に印加して第一の燃料電池を加熱することができる。すなわち、発電電力が最も大きい燃料電池の電力を用いて他の燃料電池を加熱するため、発電効率を高めることができ、より短時間で発電可能な温度に暖機させることが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の電圧を調整する電圧調整手段を更に備え、前記電圧調整手段は、発電した電力を交流電圧変換装置に導かれる燃料電池の電圧が前記第一の燃料電池より高くなるように調整することを特徴とすることが望ましい。
【００１７】
暖機される第一の燃料電池は、発電した電力を供給する燃料電池の電圧より低いことが望ましく、このような電圧関係においては発電電力による暖機を効率よく行うことができる。本発明は、前記電圧調整手段によって、発電した電力を交流電圧変換装置に導かれる燃料電池、すなわち発電電力を他の燃料電池の暖機に供給する燃料電池と暖機される燃料電池とにおいて、暖機される燃料電池の電圧が低くなるように調整する。前記電圧調整手段は、一方の燃料電池の電圧を他方の燃料電池に対して相対的に変化できるものであればよい。前記電圧調整手段は、例えば、窒素の供給によって電圧を調整する構成、電流の消費によって電圧を調整する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、複数の燃料電池のうち少なくとも１の燃料電池の発電電力を用いて交流電圧によって他の燃料電池を加熱するため、過加熱することなく効率よく燃料電池を暖機できるとともに、燃料電池システムの軽量化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１は、実施の形態に係る燃料電池システム１０のシステム構成図である。この燃料電池システム１０は、第一及び第二の燃料電池１、２と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１、２に水素ガスを供給する水素供給装置としての高圧水素タンク３と、燃料電池１、２に空気を供給する空気供給装置４と、各種装置の制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）５と、燃料電池１、２の発電電力を交流電圧に変換する交流電圧変換装置６と、燃料電池１、２の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ７、８と、を備えている。
【００２１】
前記燃料電池１、２は、水素ガスと酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させて電気エネルギを得るものである。燃料電池１、２は、燃料電池を電源として走行する電気自動車において多用されている固体高分子電解質型燃料電池である。
【００２２】
前記交流電圧変換装置６は、いずれか一方の燃料電池１、２によって発電された電力を交流電圧に変換する装置であり、変換された交流電圧は、暖機すべき燃料電池に印加される。この電力の印加、および出力電圧は、前記ＥＣＵ５によって制御されている。
【００２３】
前記温度センサ７、８は、燃料電池１、２から排出されるアノード（燃料極）オフガスの温度を検出し、それに基づいてＥＣＵ５が燃料電池の温度を推定する。燃料電池１、２から排出されるオフガスは、燃料電池の温度が反映されており、オフガスの温度に基づいて燃料電池を推定することができる。温度センサ７、８によって検出された温度は、前記ＥＣＵ５に入力されるように構成されている。
【００２４】
前記ＥＣＵ５は、燃料電池１、２の温度、電圧、発電電力量が入力されるように構成されており、入力された値に基づいて暖機する燃料電池の選択、交流電圧に変換する電力量の制御および空気供給装置４からの空気供給量の制御を行う。ＥＣＵ５は、本発明に係る制御手段、電力検出手段、電圧調整手段の機能を備えている。
【００２５】
以下、上記のように構成された燃料電池システム１０における燃料電池の温度制御について詳細に説明する。以下に説明する各種制御は、前記ＥＣＵ５によって実行され、一定間隔で繰り返されるルーチンである。
【００２６】
本実施の形態に係る燃料電池の温度制御は、第一及び第二の燃料電池１、２のうちいずれか一方の燃料電池の発電電力を交流電圧変換装置６に導き、交流電圧変換装置６によって変換された交流電圧を他方の燃料電池に印加して、該他方の燃料電池を暖機させる制御である。図２は、燃料電池の温度制御を示すフローチャートである。
【００２７】
まず、温度センサ７、８によって第一の燃料電池１の温度ＦＣ１と第二の燃料電池２の温度ＦＣ２を検出する（ステップ１０１）。燃料電池１、２の温度によって、燃料電池１、２を暖機する必要があるか否かを判定するためである。温度センサ７、８によって検出された燃料電池１、２の温度は、ＥＣＵ５に入力される。
【００２８】
ＥＣＵ５は、第一の燃料電池１と第二の燃料電池２のうち少なくともいずれか一方の燃料電池に暖機が必要であるか否かを判定する（ステップ１０２）。本実施の形態では、第一の燃料電池１の温度ＦＣ１の方が第二の燃料電池２の温度ＦＣ２より低く、第一の燃料電池１に暖機が必要であるとして説明する。所定温度Ｆ０とは、燃料電池の暖機運転が必要とされるか否かを判断するための閾値である。
【００２９】
ステップ１０２の判定の結果、第一の燃料電池１と第二の燃料電池２のいずれの温度も所定温度Ｆ０より高く、暖機運転の必要がない場合は、処理を終了する。一方、ステップ１０２の判定の結果、少なくともいずれか一方の燃料電池に暖機運転が必要な場合には、第一の燃料電池の温度ＦＣ１と第二の燃料電池ＦＣ２の温度を比較して、暖機運転する燃料電池を選択する（ステップ１０３）。本実施の形態では、第一の燃料電池１の温度ＦＣ１が第二の燃料電池２の温度ＦＣ２より低いので第一の燃料電池１を暖機運転する。
【００３０】
第一の燃料電池１を暖機運転するためには、第二の燃料電池２の発電電力が一定以上であることが必要とされるため、ＥＣＵ５は、第二の燃料電池２の発電電力を検出して（ステップ１０４）、当該発電電力が所定電力以上であるか否かを判定する（ステップ１０５）。この所定電力とは、第一の燃料電池を暖機できる電力が発電可能であるか否かを判定するための閾値である。ＥＣＵ５は、検出した発電電力が所定電力より少ない場合には、第二の燃料電池２の発電電力を上げる処理を行い（ステップ１０６）、第二の燃料電池２の発電電力が所定電力以上となるまで該処理を繰り返す。
【００３１】
前記処理を繰り返し、またはステップ１０５において、第二の燃料電池２の発電電力が所定電力以上であると判定された場合には、第一の燃料電池１の電圧を下げる処理を行う（ステップ１０７）。第一の燃料電池１に交流電圧を印加するためには、第二の燃料電池２の電圧より第一の燃料電池１の電圧が低いことが望ましい。よって、交流電圧を印加する前に、第一の燃料電池１の電圧を下げる処理を行う。具体的には、空気供給装置４から第一の燃料電池１への空気供給を閉塞して、第一の燃料電池１の電圧を下げる。
【００３２】
前記第一の燃料電池１の電圧を下げた後、第二の燃料電池２によって発電された電力を交流電圧変換装置６に導き、交流電圧に変換する（ステップ１０８）。次いで、変換した交流電圧を第一の燃料電池１に印加して、第一の燃料電池１を加熱（暖機）する（ステッ
プ１０９）。燃料電池によって発電される電力は、直流電圧である。これを交流電圧変換装置６によって交流電圧に変換することにより、交流電圧を第一の燃料電池１に印加することができる。これにより、加熱すべき箇所である燃料電池のＭＥＡを効率よく加熱することができ、また全体を均一に加熱でき、過加熱を防ぐことができる。
【００３３】
第一の燃料電池１を所定時間加熱した後、前記温度センサ７によって第一の燃料電池１の温度ＦＣ１を検出して（ステップ１１０）、第一の燃料電池１の温度ＦＣ１が所定温度Ｆ０より以下であるか否かを再び判定する（ステップ１１１）。ステップ１１０の判定の結果、第一の燃料電池１の温度が所定温度Ｆ０以下の場合には、再び、第二の燃料電池２の発電電力を検出し、第一の燃料電池１の暖機を継続する。
【００３４】
上記ステップを繰り替えし、またはステップ１１１の判定の結果、第一の燃料電池１の温度ＦＣ１が所定温度Ｆ０より高い場合には、第一の燃料電池１の暖機を終了する（ステップ１１２）。上記処理により、第一の燃料電池１は暖機されたので、再び第一の燃料電池１と第二の燃料電池２の温度を検出する（ステップ１０１）。
【００３５】
第一の燃料電池１は、暖機により発電可能な温度に加熱されているため、第二の燃料電池２の温度ＦＣ２が所定温度Ｆ０以下の場合には、第二の燃料電池の暖機を行う。以下、一定時間経過後、第一の燃料電池１と第二の燃料電池２の温度を検出して（ステップ１０１）、温度が高い一方の燃料電池の発電電力を用いて、温度が低い他方の燃料電池を暖機する処理を交互に繰り返し行う。
【００３６】
このように本発明は、燃料電池自体を用いて暖機運転を行うことにより、暖機運転するためのヒータやバッテリー等の加熱機器を設けることなく、燃料電池を暖機運転することができ、従来の燃料電池システムと比較して、軽量化を図ることができる。また、燃料電池の加熱は、交流電圧の印加であるため、加熱すべきＭＥＡを効率よく加熱でき、過加熱によるＭＥＡの変形劣化を防ぐことも可能となる。
【００３７】
また、実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池が２つであるため、暖機すべき第一の燃料電池１と、発電電力を供給する第二の燃料電池２と、に設定して処理を行ったが、燃料電池が３つ以上の燃料電池システムにおいては、発電電力を供給する第二の燃料電池２を適宜選択する処理を備えることが望ましい。
【００３８】
具体的には、例えば、３つの燃料電池を備える燃料電池システムにおいては、３つの燃料電池の温度を検出し、暖機すべき第一の燃料電池を選択した後、他の２つの燃料電池の発電量を検出し、検出された電力が最も大きい燃料電池を第二の燃料電池とする。すなわち、暖機すべき第一の燃料電池以外の燃料電池を複数備える燃料電池システムにおいては、発電電力量が最も大きい燃料電池の電力を用いて第一の燃料電池を暖機運転する。このように構成することにより、更に効率よく加熱処理を行うことが可能となる。
【００３９】
以上のように、本発明に係る燃料電池システムによれば、複数の燃料電池のうち少なくとも１の燃料電池の発電電力を用いて交流電圧によって他の燃料電池を加熱するため、暖機すべき燃料電池のＭＥＡを直接加熱して、過加熱することなく燃料電池を暖機できる。また、従来の燃料電池システムのように、加熱処理するためのヒータ、バッテリーが不要となるため、燃料電池システムの軽量化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池の温度制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４１】
１  第一の燃料電池
２  第二の燃料電池
３  高圧水素タンク
４  空気供給装置
５  電子制御装置（ＥＣＵ）
６  交流電圧変換装置
７、８  温度センサ
【図１】
2007095355.tif 000003
【図２】
2007095355.tif 000004