(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムに設置された燃料電池スタックと、燃料電池スタックに用いる液体を流通する経路との少なくとも一部を断熱材で覆い、
液体の温度が液体の凝固点以上に設定される所定温度以下になったときに加熱手段によって液体を加熱し、
前記加熱手段はその運転に応じて燃料電池システムの燃料を消費し、
前記断熱材の外部温度が液体の凝固点以下で、前記燃料電池システムの燃料残量が所定量以下のときに燃料残量の警告灯を点灯し、
この警告灯が点灯する所定量は、前記断熱材の外部温度が液体の凝固点より低温であるほどこの所定量が多く設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記警告灯が点灯した時に前記所定温度をより液体の凝固点に近い第２の所定温度に切り換え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。
【請求項３】
前記液体の温度が第２所定温度以下となったときに、前記加熱手段の運転状態をより高効率の状態に切り換えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加熱手段は、燃料を燃焼するヒータであり、前記高効率の運転状態は、このヒータの負荷を高め作動時間を短くすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料警告灯が点灯する所定量は、前記外部温度とその検出時刻から設定されることを特徴する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記外部温度とその検出時刻とその時刻での燃料の残量に基づき燃料がなくなるまでの時間を算出し、その時間を警告装置によって告知することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システムに設置された燃料電池スタックと、燃料電池スタックに用いる液体を流通する経路との少なくとも一部を断熱材で覆い、
液体の温度が液体の凝固点以上に設定される所定温度以下になったときに加熱手段によって液体を加熱し、
前記加熱手段はその運転に応じて燃料電池システムの燃料を消費し、
前記燃料電池システムの燃料残量は、前記断熱材の外部温度が液体の凝固点以下で、低温であるほど多くなるように制御されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記断熱材の外部温度が液体の凝固点以下で、液体の温度が前記所定温度をより液体の凝固点に近い第２の所定温度以下の場合に、前記燃料電池システムの燃料残量が所定量以下のときには前記加熱手段の運転状態をより高効率の状態に切り換えることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と触媒と電極からなる単セルをスタック状に積層して構成される。
【０００３】
このセルを構成する固体高分子電解質膜は、発電時に適度の潤湿状態を維持することでプロトン伝導性を示すため、水分を補給する必要がある。このため、燃料電池システムには水分補給用の純水タンクが設置されており、また他の目的でシステム中に純水を使用する部位もある。
【０００４】
システム中の純水は、周囲の気温が氷点下となると凍結し、燃料電池の故障や性能劣化を招くという問題が生じる。
【０００５】
燃料電池中の氷が解凍されないと燃料電池が起動できず、冷間時の起動性が著しく損なわれ、始動直後に発進できず、実用性が悪い。
【０００６】
このような問題を解決するために、特開２０００−２７７１３５号公報には、燃料電池を断熱材で覆い、燃料電池からの放熱を遮断するとともに、その内部に加熱手段を設けた構成が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報の構成では、加熱手段によって消費される燃料量について考慮されておらず、移動体に搭載される燃料電池のように所定量の燃料を貯蔵して運転される燃料電池には、燃料の残量を制御することができないため適用するには問題がある。
【０００８】
そこで本発明は、このような課題に鑑み、燃料電池システム内で消費される燃料の残量を把握、制御し、システム中の純水の温度が氷点下にならないように制御することで課題を解決するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池システムに設置された燃料電池スタックと、燃料電池スタックに用いる液体を流通する経路との少なくとも一部を断熱材で覆い、液体の温度が液体の凝固点以上に設定される所定温度以下になったときに加熱手段によって液体を加熱し、前記加熱手段はその運転に応じて燃料電池システムの燃料を消費し、前記断熱材の外部温度が液体の凝固点以下で、前記燃料電池システムの燃料残量が所定量以下のときに燃料残量の警告灯を点灯し、この警告灯が点灯する所定量は、前記断熱材の外部温度が液体の凝固点より低温であるほどこの所定量が多く設定される。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記警告灯が点灯した時に前記所定温度をより液体の凝固点に近い第２の所定温度に切り換える。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、前記液体の温度が第２所定温度以下となったときに、前記加熱手段の運転状態をより高効率の状態に切り換える。
【００１２】
第４の発明は、第３の発明において、前記加熱手段は、燃料を燃焼するヒータであり、前記高効率の運転状態は、このヒータの負荷を高め作動時間を短くする。
【００１４】
第５の発明は、第１の発明において、前記燃料警告灯が点灯する所定量は、前記外部温度とその検出時刻から設定される。
【００１５】
第６の発明は、第５の発明において、前記外部温度とその検出時刻とその時刻での燃料の残量に基づき燃料がなくなるまでの時間を算出し、その時間を警告装置によって告知する。
【００１６】
第７の発明は、燃料電池システムに設置された燃料電池スタックと、燃料電池スタックに用いる液体を流通する経路との少なくとも一部を断熱材で覆い、液体の温度が液体の凝固点以上に設定される所定温度以下になったときに加熱手段によって液体を加熱し、前記加熱手段はその運転に応じて燃料電池システムの燃料を消費し、前記燃料電池システムの燃料残量は、前記断熱材の外部温度が液体の凝固点以下で、低温であるほど多くなるように制御される。
【００１７】
第８の発明は、第７の発明において、前記断熱材の外部温度が液体の凝固点以下で、液体の温度が前記所定温度をより液体の凝固点に近い第２の所定温度以下の場合に、前記燃料電池システムの燃料残量が所定量以下のときには前記加熱手段の運転状態をより高効率の状態に切り換える。
【００１８】
【発明の効果】
第１の発明は、燃料電池システムの燃料を使用して運転される加熱手段が、液体の凍結を防止するように液体の温度が液体の凝固点以上に設定される所定温度以下になったときに液体を加熱する。液体の温度が液体の凝固点以下で、燃料電池システムの燃料の残量が所定量以下のときに燃料残量の警告灯を点灯し、この警告灯が点灯する所定量は、断熱材の外部温度が液体の凝固点以下より低温であるほど燃料残量の所定量が多くなるように設定される。したがって、加熱手段の運転を所定温度以下の場合に限定したことにより加熱手段によって消費される燃料の量を抑制することができる。また外部温度が低い場合には加熱手段が消費する燃料が増加し、燃料電池システムの燃料の消費が進み、システムの燃料切れが生じて燃料電池スタックと燃料電池システムの液体が凍結する恐れが早まるが、このような場合には燃料残量が所定量以下で警告灯を点灯することで事前に運転者に燃料切れの可能性を認知させ、燃料切れによる燃料電池スタックの凍結を防止することができる。
【００１９】
第２の発明では、燃料警告灯が点灯した時に所定温度をより液体の凝固点に近い第２の所定温度に切り換えることで、加熱手段による燃料の消費量をさらに低減し、燃料電池システムの運転時間を長期化し、燃料電池スタックと燃料電池システムの液体の凍結を防止できる。
【００２０】
第３の発明では、液体の温度が第２所定温度以下となったときに、加熱手段の運転状態をより高効率の状態に切り換えることで、加熱手段の燃料消費量を低減し、燃料電池システムの運転時間を延長することができる。
【００２１】
第４の発明では、前記加熱手段は、燃料を燃焼するヒータであり、前記高効率の運転状態は、このヒータの負荷を高め作動時間を短くすることにより、燃料消費量を低減し、効率を高めることができる。
【００２３】
第５の発明では、燃料警告灯が点灯する所定量は、前記外部温度とその検出時刻から設定されることにより、さらに精度よく燃料の消費状態を判定することができる。
【００２４】
第６の発明では、外部温度とその検出時刻とその時刻での燃料の残量に基づき燃料がなくなるまでの時間を算出し、その時間を警告装置によって告知することにより、燃料切れによる液体の凍結を確実に防止することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の燃料電池システムの構成の一例を示す。
【００２８】
燃料電池スタック１には、改質器１１から改質ガスが、またブロア１２から空気が供給される。改質ガスと空気はスタック１内で発電のための電気化学変化に供せられて、排出される。
【００２９】
燃料電池スタックを冷却するための冷却水として、アキュムレータ２内の純水がポンプ５の作動によって熱交換器４を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１を冷却することで昇温した冷却水は、熱交換器４でポンプ９から熱交換器４内に供給される冷媒との間で熱交換を行い、降温される。熱交換器４から排出された冷媒は、ラジエータ１０に送られて大気中に熱を放出し、温度を低下させる。
【００３０】
ここで、燃料電池スタック１と、アキュムレータ２と、ポンプ５と、熱交換器４及びこれらを連結する純水通路は、断熱材８によって覆われており、外部との熱交換は遮断されている。アキュムレータ２にはその純水の温度を検出するための温度センサ３が設置されており、この検出値が断熱材８内の代表温度として取り扱われる。また断熱材８内には断熱材８内の空気を加熱するための加熱手段、例えばヒータ６が設置されている。ヒータ６には燃料タンク１４から燃料流路１３と１８を通じて燃料が供給され、燃焼し、その排気ガスは断熱材８の外部に排出される。
【００３１】
燃料タンク１４からの燃料は、燃料流路１４を通じて改質器２にも供給されて、改質反応に用いられる。
【００３２】
燃料電池システムを制御するためのコントローラ１７には、外気温度計１６、温度センサ３、燃料残量計１５の検出信号が入力され、これらの信号に基づいてコントローラ１７は燃料残量警告灯１９、ポンプ５、９及びヒータ６の作動を制御する。
【００３３】
図２のフローチャートを用いてコントローラ１７が実施する制御内容を説明する。
【００３４】
まずステップ１０で外気温度計１６から外気温が入力され、ステップ１２で外気温が水の凝固点である０℃以下かどうかを判定する。０℃以下の場合にはステップ１４に進み、０℃を越える時には純水は凍ることがないので制御を停止する。つまり、断熱材８内の温度が後述する温度しきい値より低い場合でも、外気温度が０℃以下でなければヒータ６を作動させない。このように制御することで、無駄にヒータ６を作動させることなく、燃料消費量を削減できる。
【００３５】
ステップ１４では、燃料残量警告灯１９を点灯する基準燃料残量Ｖ１を算出する。基準燃料残量Ｖ１は図３に示すようなマップから外気温に応じて設定され、０℃を超えるときには、基準の残量ＶＢを基準燃料残量Ｖ１として設定し、０℃では燃料電池スタック１、純水流路等の氷を解凍することを見越した燃料分Ｑ１を基準残量ＶＢに加算して基準燃料残量Ｖ１として設定する。氷点下の気温の場合には、気温が低くなるほど氷の解凍に要する熱量が増大するため、気温が低いほど解凍に必要な燃料分Ｑ１を増加させ、これを基準残量ＶＢに加算して基準燃料残量Ｖ１とする。
【００３６】
このように基準燃料残量Ｖ１を設定することにより、外気温度が低いほどにヒータ６の燃料消費量が多くなることを勘案し、燃料切れによる燃料電池システムの凍結の可能性を運転者等に警告し、予防することができる。また燃料残量算出の際、外気温が時刻に応じて変化することを利用し、時刻を制御変数としてある時刻での外気温度を測定し、予め記憶された時刻と外気温度の関係のマップ等に基づきこの時刻からの外気温度変化を予測し、保温に必要な燃料残量をさらに精度よく算出するようにしてもよい。なお、このとき外気温度とその検出時刻と燃料の残量から燃料切れまでの時間を演算し、運転者等に燃料切れまでの時間を告知する警告装置を設置するようにしてもよい。
【００３７】
ステップ１６では、燃料残量計１５の出力が入力され、続くステップ１８で検出された燃料残量Ｖｍが基準燃料残量Ｖ１以上残っているかどうかを判定する。基準燃料残量Ｖ１以上残っているときにステップ２２に進み、基準に満たない時にはステップ２０に進んで燃料残量警告灯１９を点灯し、運転者等に燃料残量に注意するよう警告する。
【００３８】
続くステップ２２で、図４に示すマップを用いて検出された燃料残量Ｖｍから断熱材８内の温度しきい値Ｔを算出する。燃料残量Ｖｍが所定量Ｖ２より少ない場合には温度しきい値Ｔが０℃に近い値Ｔｔを算出し、所定量Ｖ２以上の時にはＴｔより高温の温度しきい値Ｔｓを算出する。燃料残量の所定値をＶ２として前記基準燃料残量Ｖ１を用いて燃料警告灯１９の点灯と同時に断熱材８内の温度しきい値を切り換えてもよい。
【００３９】
このような燃料残量が少ない場合には、断熱材８内を保温できる時間が短くなり、燃料切れによる凍結の恐れが生じるが、この場合には断熱材８内の温度を０℃に近づけてヒータ６の点火温度を下げて断熱材８内部の純水が凍結しない下限温度に断熱材８内の温度を保持するようにする。したがって、燃料の消費量を低減し、純水が凍結しない温度に断熱材８内の温度をより長時間保持することができる。
【００４０】
なおこのときのヒータ６の燃焼状態は、図５に示すより高効率、高出力の運転状態となるように制御する。通常の運転状態ではヒータ６は、低出力の運転状態（図５中のＷ１で示す。）で運転される。これは、断熱材８内の温度が局所的に高くなり、局部的に熱損傷を生じることを防止するためである。しかしながら、燃料残量Ｖｍが減少し、燃料警告灯１９が点灯した場合には、ヒータ６を高出力（Ｗ２）、高効率（Ｈ２）の運転状態に切り換える。この高効率の燃焼状態で、断熱材８内の平均設定温度を純水が凍結しない下限温度（例えば、温度しきい値Ｔｔ）まで低下させることで最小燃料消費量が達成される。
【００４１】
ヒータ６を高出力で運転することで、断熱材８内に局所的な高温部が発生し、熱損傷の恐れが生じるが、この運転状態は短時間に行われるもので、熱損傷は最小限度に抑制されるため問題とならない。
【００４２】
図６に燃料警告灯１９点灯と同時に温度しきい値Ｔを切り換えた場合の燃料警告灯１９点灯前と点灯後でのヒータ６の運転状態の違いを示す。実線で示した運転状態が点灯後の状態、点線で示したものが点灯前の運転状態である。点灯前は前述のように低効率Ｈ１、低出力Ｗ１で運転され、点灯後は高効率Ｈ２、高出力Ｗ２で運転される。比較すると高効率Ｈ２、高出力Ｗ２で運転したときの方が急速に温度が上昇するため燃焼時間ｃｔが短く、点火周期Ｋが長くてよいことがわかる。
【００４３】
図２のフローチャートの説明に戻るとステップ２４で、断熱材８内の温度としてアキュムレータ２の温度Ｔｍを温度センサ３によって検出し、続くステップ２６でこの検出温度Ｔｍとしきい値Ｔを比較する。そして検出温度Ｔｍがしきい値Ｔ以上の時にはヒータ６を点火する必要がないため制御を終了する。一方、検出温度Ｔｍがしきい値Ｔ未満の温度のときにはステップ２８でヒータ６を点火し、断熱材８内を加熱し、制御を終了する。
【００４４】
これまで説明してきた制御を時系列でまとめたものが図７である。この図７では、燃料警告灯１９が表示される残量Ｖ１となったときに断熱材８内の温度しきい値を切り換える場合を説明する。
【００４５】
まず時刻ｔ１で、高温側の温度しきい値Ｔである第１温度しきい値（Ｔｓ）まで断熱材８内の温度が低下したとすると、ヒータ６が点火し、低効率、低出力で断熱材８内を加熱する。時刻ｔ２までこの状態で断続的に断熱材８内を加熱し、このｔ１からｔ２の間に燃料が消費されて時刻ｔ２で燃料警告灯１９が表示される残量Ｖ１まで燃料が消費される。
【００４６】
燃料残量Ｖｍが残量Ｖ１となった時点で、断熱材８内の温度しきい値Ｔはより０℃に近い第２温度しきい値（Ｔｔ）に切り換わるとともに、断熱材８内の温度が第２温度しきい値となったときにヒータ６の運転状態は高効率、高出力運転に切り換えられる（時刻ｔ３）。断熱材８内の温度がこの第２温度しきい値Ｔｔを維持されるようにヒータ６は高効率、高出力で燃焼するため燃料の消費が抑制され、断熱材８内の保温時間をより長期とすることができる。
【００４７】
したがって本発明では、断熱材８内の温度、つまり純水の温度が氷点下にならないように純水の温度が所定温度（Ｔｓ）以下になるとヒータ（加熱手段）６を点火して、純水を所定温度Ｔｓに制御し、またヒータの燃焼に用いる燃料の残量Ｖｍが燃料警告灯１９を点灯するべき残量Ｖ１以下になると燃料警告灯１９を点灯し、さらに断熱材８の外部温度が低いほど燃料警告灯１９が点灯する残量Ｖ１を多く設定するようにした。したがって、加熱手段の運転を所定温度以下の場合に限定したことにより加熱手段によって消費される燃料の量を抑制することができる。また外部温度が低い場合には加熱手段が消費する燃料量が増加し、燃料電池システムの燃料量の消費が進み、システムの燃料切れが生じて燃料電池スタック１が凍結する恐れがあるが、このような場合には燃料残量が残量Ｖ１以下で燃料警告灯を点灯することで事前に運転者に燃料切れの可能性を認知させ、燃料電池スタック１の凍結を防止することができる。
【００４８】
また、燃料残量がＶ１以下の場合には純水の温度しきい値をより０℃に近い第２の所定温度（Ｔｔ、第２の温度しきい値）に切り換えることで、さらに加熱手段による燃料の消費量を低減し、燃料電池システムの運転時間を長期化し、燃料電池スタックの凍結を防止できる。
【００４９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図２】制御内容を詳しく説明するためのフローチャートである。
【図３】基本燃料残量Ｑ１を算出するためのマップである。
【図４】温度しきい値を算出するためのマップである。
【図５】ヒータの効率と出力の関係を説明するためのマップである。
【図６】ヒータの運転特性を説明するための図である。
【図７】本発明の制御内容を時系列で説明するための図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  アキュムレータ
４  熱交換器
６  ヒータ（加熱手段）
８  断熱材
１０  ラジエータ
１１  改質器
１４  燃料タンク
１７  コントローラ
１９  燃料警告灯
【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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