(57)【要約】【課題】低温環境下で始動する場合においてもセル電圧バラツキを抑制することが可能な温度制御システムを提供する。【解決手段】制御装置１６０は、システム始動の際、燃料電池４０の温度を検出することにより、低温始動か通常始動かを判定する。制御装置１６０は、低温始動すべきと判断すると、低温始動用の通水制御マップＭＰを参照し、冷却システムに循環させる冷却水の流量を調整する。この低温始動用の通水制御マップＭＰには、例えばシステムが許容する最大通水量が設定されている。これにより、低温環境下で始動する場合においてもセル間温度バラツキを抑えることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体を燃料電池に流通させることで該燃料電池の温度を制御する温度制御システムであって、
低温運転する際、通常運転時の流量よりも大きな流量の熱媒体を前記燃料電池に流通させる流通制御手段を具備することを特徴とする燃料電池用の温度制御システム。
【請求項２】
当該システムを始動する際、前記燃料電池に関わる温度を検出し、検出結果に基づいて低温始動すべきか通常始動すべきかを判断する判断手段をさらに具備し、
前記流通制御手段は、低温始動する際、通常始動時の流量よりも大きな流量の熱媒体を前記燃料電池に流通させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用の温度制御システム。
【請求項３】
前記燃料電池の端部には、前記低温運転の際に該端部を加熱するヒータが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用の温度制御システム。
【請求項４】
前記熱媒体の流路には、前記低温運転の際に前記熱媒体を加熱するヒータが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用の温度制御システム。
【請求項５】
前記熱媒体と外気との間で熱交換させるラジエータと、
前記低温運転する際、前記ラジエータの放熱を制限する制御手段とをさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用の温度制御システム。
【請求項６】
前記低温運転時に流通させる前記熱媒体の流量は、当該システムが許容する最大流量であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１の請求項に記載の燃料電池用の温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用の温度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスの電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。かかる燃料電池は高効率、クリーンな発電手段であるため、二輪車や自動車などの駆動動力源として大きな期待を集めている。
しかしながら、燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪く、特に低温環境下で始動する場合には燃料電池の端部と中央部の間でセル電圧バラツキが生じる。一般に、複数のセルを積層した燃料電池の両端部にはエンドプレートが設けられている（図９参照）。低温始動する際には、発電に伴う自己発熱を有効に利用して燃料電池１を暖機するが、エンドプレート３はセル２に比べて熱容量が大きいため、両端部のセル２の熱量がエンドプレート３に奪われてしまう。この結果、スタック内部でのセル位置による温度勾配が発生し、セル電圧バラツキが生じてしまうという問題がある。
このような問題にかんがみ、たとえば燃料電池の端部セルに断熱板を配置し、セル間での温度勾配を抑制する方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１５２０５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、低温環境下で運転（始動など）する場合には、端部セルで放熱するためにスタック内でより大きな温度勾配が生じてしまうといった問題がある。また、上記断熱板を配置した場合にはシステムが大型化してしまうという問題もある。
【０００４】
本発明は以上説明した事情を鑑みてされたものであり、低温環境下で始動する場合においてもセル電圧バラツキを抑制することが可能な温度制御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】
【０００５】
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池用の温度制御システムは、熱媒体を燃料電池に流通させることで該燃料電池の温度を制御する温度制御システムであって、低温運転する際、通常運転時の流量よりも大きな流量の熱媒体を前記燃料電池に流通させる流通制御手段を具備することを特徴とする。
【０００６】
ここで、「低温」とは、例えば常温より低い温度、零度近傍または氷点下の場合をいい、「通常時より大きな流量」とは、絶対的な流量のほか流速、圧力も含む趣旨である。かかる構成によれば、低温始動時の熱媒体（冷却水など）の流量を通常始動時の熱媒体の流量よりも大きく設定しているため、低温始動時に暖機する場合においてもセル間温度バラツキを抑えることができ、結果としてセル電圧バラツキを抑えることが可能となる。
【０００７】
ここで、上記構成にあっては、当該システムを始動する際、前記燃料電池に関わる温度を検出し、検出結果に基づいて低温始動すべきか通常始動すべきかを判断する判断手段をさらに具備し、前記流通制御手段は、低温始動する際、通常始動時の流量よりも大きな流量の熱媒体を前記燃料電池に流通させる構成が好ましい。
【０００８】
また、前記低温運転の際に燃料電池の端部を加熱するヒータを設けたり、前記低温運転の際に前記熱媒体を加熱するヒータを設けた構成が好ましい(図６〜図８参照）。さらに、前記低温運転時に流通させる前記熱媒体の流量は、当該システムが許容する最大流量であっても良い。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、低温環境下で始動する場合においてもセル電圧バラツキを抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１１】
Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００１２】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セル４００−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）を直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
【００１３】
燃料ガス供給源３０は、燃料電池４０へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンク、水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路２１は、燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池４０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３は、燃料ガス供給路２１や燃料電池４０へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
【００１４】
エアコンプレッサ６０は、エアフィルタ（図示略）を介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池４０のカソード極に供給する。燃料電池４０のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池４０の電池反応に供した後の酸素オフガスなどが含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池４０の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００１５】
加湿モジュール７０は、酸化ガス供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路１２を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池４０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池４０に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路１２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ１によって調圧される。
【００１６】
燃料電池４０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ１３０によって降圧され、バッテリ１４０に充電される。
バッテリ１４０は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ１４０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。
【００１７】
トラクションインバータ１１０及び補機インバータ１２０は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ１４０から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。
トラクションモータＭ３は車輪１５０Ｌ、１５０Ｒを駆動するためのモータであり、補機モータＭ４は各種補機類を駆動するためのモータである。なお、補機モータＭ４はエアコンプレッサ６０を駆動するモータＭ２、冷却水ポンプ２２０を駆動するモータＭ１等を総称している。
【００１８】
冷却システム２００は、不凍液冷却水（熱媒体）などを燃料電池４０に循環させて各セル４００−ｋの温度を制御するものであり、冷却水を燃料電池４０に循環させるための冷却水循環路２１０、冷却水の流量を調整するための冷却水ポンプ２２０、冷却水を冷却するためのラジエータ２３０を備えている。各セル４００−ｋを循環する冷却水は、ラジエータ２３０にて外気と熱交換され冷却される。また、冷却システム２００には、冷却水についてラジエータ２３０をバイパスさせるバイパス流路２４０が設けられている。ラジエータ２３０を通過させる冷却水の流量とラジエータ２３０をバイパスさせる冷却水のバイパス流量の流量比は、ロータリーバルブ２５０の開度を調整することで所望の値に制御される。
【００１９】
制御装置１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサｓ１、バッテリ１４０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサｓ２、トラクションモータＭ３の回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサｓ３、燃料電池４０の出力電圧、出力電流、内部温度をそれぞれ検出する電圧センサｓ４、電流センサｓ５、温度センサｓ６などから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ１１０、１２０の出力パルス幅などを制御する。
また、制御装置（流通制御手段）１６０は、温度センサｓ６によって検出されるシステム起動時の燃料電池４０の温度に基づき、冷却水循環路２１０に流す冷却水の流量を調整する（詳細は後述）。
【００２０】
図２は、燃料電池の温度分布を示す図であり、低温始動時のセルの温度勾配を実線で示し、暖機完了後の通常運転時のセルの温度勾配を破線で示している。また、横軸にセル番号（ｎ＝２００）、縦軸に温度を示す。
図２に示すように、暖機完了後の通常運転状態においては各セルの温度は略均一であるのに対し、低温始動時の暖機運転状態においては端部セルの昇温が中央セルの昇温に比べて遅れる（解決しようとする課題の項参照）。
【００２１】
図３は、燃料電池の電流・電圧特性（以下、ＩＶ特性）の温度依存性を示す図であり、６０℃、４０℃、２０℃、−１０℃のＩＶ特性をそれぞれ示す。
図３に示すように、燃料電池４０のＩＶ特性には温度依存性があり、温度が低いほどＩＶ特性が悪くなる。ここで、燃料電池４０を構成する各セルは直列に接続されているため、いずれのセルにも同一電流（例えば図３に示す電流Ｉｔ）が流れる。図４は、電流Ｉｔが流れる場合の各温度でのセル電圧を時系列プロットしたものである。図４に示すように、温度が低いほど（ＩＶ特性が悪いほど）セル電圧が低くなる。極端な例として図３及び図４では−１０℃のＩＶ特性、セル電圧を示しているが、かかる特性を有するセルが燃料電池４０の中に存在すれば、そのセル電圧は逆電位となり、電流制限あるいはシステム停止等の処置が必要となる。かかる事情に鑑み、本実施形態では低温始動時におけるセル間温度バラツキを抑制することで、セル電圧バラツキの抑制を図っている。以下、セル間温度バラツキを抑制するための具体的な方法について説明する。
【００２２】
図５は、システム始動時に制御装置１６０によって実行される処理を示す図である。
制御装置１６０は、イグニッションキーがＯＮされるなどして操作部からシステムの始動命令を受け取ると、温度センサｓ６によって検知される燃料電池４０の温度Ｔｓを把握する（ステップＳ１）。なお、燃料電池４０の温度Ｔｓを利用する代わりに外気温度や冷却水の温度（燃料電池に関わる温度）を利用しても良い。
【００２３】
制御装置（判断手段）１６０は、燃料電池４０の温度Ｔｓの検出結果に基づいて低温始動すべきか通常始動すべきかを判断する。詳述すると、制御装置１６０はシステム始動時の燃料電池４０の温度Ｔｓが予め設定された基準温度Ｔｔｈを越えている場合には(ステップＳ２；ＮＯ）、ステップＳ６に進み、通常始動処理を行う一方、システム始動時の燃料電池４０の温度Ｔｓが予め設定された基準温度Ｔｔｈ以下である場合には（ステップＳ２；ＹＥＳ）、低温始動すべきと判断し、ステップＳ３に進む。基準温度Ｔｔｈとしては、例えば常温より低い温度、零度近傍または氷点下などが挙げられるが、いずれの温度に設定するかは任意である。
【００２４】
制御装置１６０は、ステップＳ３においてメモリに格納されている低温始動用の通水制御マップＭＰを参照し、冷却システムに循環させる冷却水の流量を調整する。この低温始動用の通水制御マップＭＰには、冷却水の通水量と冷却ポンプ２２０の回転数とが対応付けて登録されている。低温始動時における通水量Ｗｌは、通常始動時における通水量Ｗｈ（＜Ｗｌ）よりも大きな値に設定されている。なお、低温始動時における通水量としてシステムが許容する最大通水量を設定しても良いが、セル間温度バラツキを抑制することができる通水量であればどのような値でも良い。もちろん、通水量のみならず、流速や圧力を制御しても良い。さらに、通水量は一定に限る趣旨ではなく、燃料電池４０の温度や出力電圧などに応じて適宜変更しても良い。
【００２５】
制御装置１６０は、低温始動用の通水制御マップＭＰ１を用いて冷却水の通水制御を開始すると、発電に伴う自己発熱を有効に利用して燃料電池４０の暖機を開始する（ステップＳ４）。具体的には、酸化ガス欠乏状態で燃料電池４０を運転（低効率運転）することにより、効率的に燃料電池４０を暖機する。制御装置１６０は、ステップＳ５に進むと、温度センサｓ６によって検知される燃料電池４０の温度Ｔｓを把握し、設定された目標温度Ｔｏに到達したか否かを判断する。未だ目標温度Ｔｏに到達していないと判断した場合には、ステップＳ３に戻り、上述した一連の処理を繰り返し実行する一方、目標温度Ｔｏに到達していると判断した場合には暖機運転を終了し、通常運転を開始する。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態によれば、低温始動時の冷却水の通水量を通常始動時の冷却水の通水量よりも大きく設定しているため、暖機運転を行う場合においてもセル間温度バラツキを抑えることができ、燃料電池全体として均質な昇温特性を得ることが可能となる。なお、低温で運転（低温運転）するのであれば、始動時に限られないのはもちろんである。
【００２７】
Ｂ．変形例
（１）上述した実施形態では、冷却水についてラジエータ２３０をバイパスさせるバイパス流路２４０を設け、ラジエータ２３０を通過させる冷却水の流量とラジエータ２３０をバイパスさせる冷却水のバイパス流量の流量比を制御することでラジエータ２３０の放熱制限を行ったが、冷却ファンの駆動を制御することでラジエータ２３０の放熱制限を行っても良い。
（２）また、上述した本実施形態では、通水量を制御することでセル間温度バラツキを抑制したが、これに加えて（または代えて）冷却水の温度等を制御することで、短時間で均質な昇温を実現しても良い。具体的には、図６に示すように燃料電池４０の端部に加熱用のヒータ１９０を設置し、端部セルの温度を制御することで端部セルの昇温立ち遅れを防止しても良い。また、バイパス流路２４０や（図７参照）、冷却水循環路２１０にヒータ１９０を設置し（図８参照）、冷却水の温度を制御することでセル間温度バラツキを抑えるようにしても良い。なお、バイパス流路２４０にヒータ１９０を設置した場合には、通常冷却時（冷却水の温度制御を行わない時）の圧力損失を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】同実施形態に係る燃料電池の温度分布を示す図である。
【図３】同実施形態に係る燃料電池のＩＶ特性の温度依存性を示す図である。
【図４】同実施形態に係る各温度でのセル電圧を時系列プロットした図である。
【図５】同実施形態に係るシステム始動時の動作を示すフローチャートである。
【図６】変形例に係るヒータの設置例を示す図である。
【図７】変形例に係るヒータの設置例を示す図である。
【図８】変形例に係るヒータの設置例を示す図である。
【図９】燃料電池の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
３０・・・燃料ガス供給源、４０・・・燃料電池、４００−ｋ・・・セル、６０・・・エアコンプレッサ、７０・・・加湿モジュール、１１０・・・トラクションインバータ、１２０・・・補機インバータ、１３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４０・・・バッテリ、１５０Ｌ、１５０Ｒ・・・車輪、１６０・・・制御装置、Ｈ１・・・タンクバルブ、Ｈ２・・・水素供給バルブ、Ｈ３・・・ＦＣ入口バルブ、Ａ１・・・圧力調整弁、１１・・・酸化ガス供給路、１２・・・カソードオフガス流路、２１・・・燃料ガス供給路、２００・・・冷却システム、２１０・・・冷却水循環路、２２０・・・冷却水ポンプ、２３０・・・ラジエータ、２４０・・・バイパス流路、２５０・・・ロータリーバルブ、ｓ１・・・アクセルペダルセンサ、ｓ２・・・ＳＯＣセンサ、ｓ３・・・Ｔ／Ｃモータ回転数検出センサ、ｓ４・・・電圧センサ、ｓ５・・・電流センサ、ｓ６・・・温度センサ、ＭＰ・・・低温始動用の通水制御マップ、１００・・・燃料電池システム。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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