JP2022022829A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】暖機時間を短縮した燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムにおいて、第１燃料電池１０及び第１燃料電池１０を冷却する冷媒を循環させる冷却系を含む第１システム１と、第２燃料電池２０及び第２燃料電池２０を冷却する冷媒を循環させる冷却系を含む第２システム２と、第１システムの冷却系と第２システム２の冷却系を連通させるバルブＶ３１、Ｖ３２を含む連通機構３と、バルブＶ３１、Ｖ３２を制御する制御装置１００と、を備える。第１システムは、第２システムよりも冷媒に与える熱量が多くなるように構成されている。制御装置１００は、冷間始動時にバルブＶ３１、Ｖ３２を開くことにより、第１燃料電池１０から排出された冷媒の一部を、第２燃料電池２０に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

互いに異なる温度帯出力特性を有する複数の燃料電池を備え、始動時に複数の燃料電池のうち、より低い温度側で効率的に発電する温度帯出力特性を有する燃料電池を選択して発電させる燃料電池システムがある（特許文献１参照）。

特開２００６－３０２７４６号公報

より低い低温側で効率的に発電する温度出力特性を有する燃料電池の運転により温度上昇した冷媒が、一度冷却装置を経由したのちに、相対的に高い温度側で効率的に発電する温度出力特性を有する燃料電池に供給されるため、燃料電池の暖機時間を短縮させることが不十分となるおそれがある。

本発明は、暖機時間が短縮した燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、第１燃料電池、第１熱交換機、前記第１熱交換機から前記第１燃料電池に冷媒を供給する第１供給管、及び前記第１燃料電池から前記第１熱交換機に冷媒を排出する第１排出管、を含む第１システムと、第２燃料電池、第２熱交換機、前記第２熱交換機から前記第２燃料電池に冷媒を供給する第２供給管、及び前記第２燃料電池から前記第２熱交換機に冷媒を排出する第２排出管、を含む第２システムと、前記第１排出管と前記第２供給管とを連通する供給連通管、及び前記供給連通管を開閉するバルブ、を含む連通機構と、前記バルブを制御する制御装置と、を備え、前記第１システムは、前記第２システムよりも冷媒に与える熱量が多くなるように構成されており、前記制御装置は、冷間始動時に前記バルブを開くことにより、前記第１燃料電池から排出され前記第１熱交換機に供給される前の冷媒の一部を、前記第２燃料電池に供給する、燃料電池システムによって達成できる。

本発明によれば、暖機時間が短縮した燃料電池システムを提供できる。

図１は、燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、ＥＣＵが実行する冷間始動時での制御の一例を示したフローチャートである。 図３は、冷媒の流通経路の説明図である。 図４は、冷媒の流通経路の説明図である。 図５は、冷媒の流通経路の説明図である。 図６は、冷媒の流通経路の説明図である。

［燃料電池システム１の概略構成］
図１は、燃料電池システムＡの概略構成図である。燃料電池システムＡは、例えば燃料電池自動車、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が、車両以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源にも適用可能である。燃料電池システムＡは、ＦＣスタック１０を有するシステム１、ＦＣスタック２０を有するシステム２、詳しくは後述するがシステム１及び２の冷媒経路を連通する連通機構３、及びＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００を含む。尚、図１には図示していないがシステム１は、ＦＣスタック１０及び２０にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する装置を備えている。

システム１は、ＦＣスタック１０、セルモニタＭ１、コンバータＣ１、排出管１１、供給管１２、バイパス管１３、バルブＶ１１～Ｖ１３、温度センサＳ１、ラジエータＲ１、及びウォータポンプＷ／Ｐ１を含む。ＦＣスタック１０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックであり、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。セルモニタＭ１は、ＦＣスタック１０の各セル毎の電圧を検出する。コンバータＣ１はＦＣスタック１０の発電電圧を昇圧して車両の走行用のモータや補機に電力を供給する。排出管１１は、ＦＣスタック１０からラジエータＲ１に冷媒を排出する。供給管１２はラジエータＲ１からＦＣスタック１０に冷媒を供給する。ラジエータＲ１は、ラジエータＲ１内を流れる冷媒とラジエータＲ１の外気との熱交換を促進させることにより冷媒の温度を低下させる熱交換器の一例である。また、冷媒がＦＣスタック１０内を流れることによりＦＣスタック１０を冷却することができる。

排出管１１上には上流側から下流側に順に温度センサＳ１、バルブＶ１１、及びバルブＶ１２が設けられている。温度センサＳ１が排出管１１のＦＣスタック１０近傍に設けられているため、温度センサＳ１により検出された冷媒温度はＦＣスタック１０の温度と相関する。供給管１２上には上流側から下流側にヒーターＨ及びウォータポンプＷ／Ｐ１が設けられている。ウォータポンプＷ／Ｐ１が駆動することにより冷媒が所定の経路でＦＣスタック１０内を循環する。バイパス管１３は、冷媒がラジエータＲ１をバイパスするように、排出管１１のバルブＶ１１とバルブＶ１２との間と、供給管１２のラジエータＲ１とヒーターＨとの間とに連通している。

同様に、システム２は、ＦＣスタック２０、セルモニタＭ２、コンバータＣ２、排出管２１、供給管２２、バイパス管２３、バルブＶ２１～Ｖ２３、温度センサＳ２、ラジエータＲ２、及びウォータポンプＷ／Ｐ２を含む。ＦＣスタック２０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックであり、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。セルモニタＭ２は、セルモニタＭ１よりも簡易に形成されており、具体的には、セルモニタＭ１が各セル毎の電圧を検出できるのに対して、セルモニタＭ２は複数枚のセル毎の電圧を検出できる。コンバータＣ２はＦＣスタック２０の発電電圧を昇圧して車両の走行用のモータや補機に電力を供給する。排出管２１は、ＦＣスタック２０からラジエータＲ２に冷媒を排出する。供給管２２は、ラジエータＲ２からＦＣスタック２０に冷媒を供給する。ラジエータＲ２は、ラジエータＲ２内を流れる冷媒とラジエータＲ２の外気との熱交換を促進させることにより冷媒の温度を低下させる熱交換器の一例である。また、冷媒がＦＣスタック２０内を流れることによりＦＣスタック２０を冷却することができる。

排出管２１上には上流側から下流側の順に温度センサＳ２、及びバルブＶ２２が設けられている。温度センサＳ２が排出管２１のＦＣスタック２０近傍に設けられているため、温度センサＳ２により検出された冷媒温度はＦＣスタック２０の温度と相関する。供給管２２上には上流側から下流側の順にバルブＶ２１、及びウォータポンプＷ／Ｐ２が設けられている。ウォータポンプＷ／Ｐ２が駆動することにより冷媒が所定の経路でＦＣスタック２０内を循環する。バイパス管２３は、冷媒がラジエータＲ２をバイパスするように、排出管２１の温度センサＳ２とバルブＶ２２との間と、供給管２２のラジエータＲ２とバルブＶ２１との間とに連通している。

連通機構３は、供給連通管３１、排出連通管３２、バルブＶ３１及びＶ３２を含む。供給連通管３１は、排出管１１の温度センサＳ１とバルブＶ１１との間と、供給管２２のバルブＶ２１とウォータポンプＷ／Ｐ２との間を連通する。排出連通管３２は、排出管２１の温度センサＳ２とバルブＶ２２との間と、排出管１１のバルブＶ１１とバルブＶ１２との間を連通する。バルブＶ３１及びＶ３２はそれぞれ供給連通管３１及び排出連通管３２上に設けられている。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ１００は、ウォータポンプＷ／Ｐ１及びＷ／Ｐ２の少なくとも一方を駆動しつつ、バルブＶ１１～Ｖ１３、Ｖ２１～Ｖ２３、Ｖ３１、及びＶ３２の開閉状態を制御することにより、冷媒を所望の経路を経てＦＣスタック１０及び２０に循環させることができる。また、ＥＣＵ１００は、コンバータＣ１及びＣ２のそれぞれの昇圧比を制御することによって、ＦＣスタック１０及び２０のそれぞれの出力電圧を昇圧することができる。ＥＣＵ１００は、セルモニタＭ１からＦＣスタック１０の単セル毎の電圧を取得でき、セルモニタＭ２からＦＣスタック２０の複数の単セル毎の電圧を取得できる。また、ＥＣＵ１００は温度センサＳ１及びＳ２からそれぞれＦＣスタック１０及び２０から排出された冷媒の温度を取得できる。尚、ＥＣＵ１００は例えば車両のアクセル開度に応じて、ＦＣスタック１０及び２０のそれぞれに供給される燃料ガスの流量及び酸化剤ガスの流量を調整することにより、ＦＣスタック１０及び２０の発電電力を制御する。

［システム１とシステム２の相違点］
システム１のコンバータＣ１は、システム２のコンバータＣ２よりも暖機運転を急速に行うことができ、コンバータＣ１によりＦＣスタック１０を急速暖機運転した場合のＦＣスタック１０の単セル当たりの発熱量は、コンバータＣ２によりＦＣスタック２０を暖機運転した場合のＦＣスタック２０の単セル当たりの発熱量よりも大きい。また、ＦＣスタック１０の単セルの枚数は、ＦＣスタック２０の単セルの枚数と略同じである。このため、コンバータＣ１によるＦＣスタック１０から冷媒に与えられる熱量は、コンバータＣ２によるＦＣスタック２０から冷媒に与えられる熱量よりも大きい。従って、コンバータＣ１はコンバータＣ２よりも冷間始動時に適しているといえる。ＦＣスタック１０及び２０の単セル枚数は同じである必要はなく、暖機運転により冷媒に与える熱量がＦＣスタック１０の方がＦＣスタック２０よりも大きければよい。尚、コンバータＣ１は、低温時での性能が保証された素子などの電子部品が用いられている。

システム１にはヒーターＨが設けられているのに対してシステム２ではヒーターＨは設けられていない。このため、ヒーターＨの駆動時には、システム１の方がシステム２よりも冷媒に与える熱量が大きい。

ＦＣスタック１０ではアノード触媒として水電解触媒が用いられカソード触媒として白金触媒が用いられているのに対し、ＦＣスタック２０ではアノード触媒及びカソード触媒が共に白金触媒が用いられている。ＦＣスタック１０がアノード触媒として水電解触媒が用いられているため、水素欠乏時において触媒層の担体カーボンが酸化するよりも水の分解反応が優先され、これにより触媒の劣化が抑制される。ここで冷間始動時は、ＦＣスタック１０及び２０のアノード流路内で液水が凍結している場合があり、この状態で燃料ガスをアノード流路内に供給すると、水素欠乏が生じる恐れがある。ＦＣスタック１０のようにアノード触媒として水電解触媒を採用しているため、ＦＣスタック１０の方がＦＣスタック２０よりも水素欠乏が生じた場合の触媒の劣化が抑制される。従って、ＦＣスタック１０の方がＦＣスタック２０よりも冷間始動に適しているといえるが、ＦＣスタック１０の単セルは、ＦＣスタック２０の単セルよりも製造コストが高い。尚、水電解触媒としては、例えば白金にルテニウムやイリジウムを混ぜた合金触媒が挙げられる。

上述したように、セルモニタＭ１はＦＣスタック１０の単セル毎の電圧を検出でき、セルモニタＭ２はＦＣスタック２０の複数の単セル毎の電圧を検出できる。また、セルモニタＭ１は、低温時での性能が保証されている素子が用いられており、更に負電圧を計測でき、また高速で電圧を計測できる。これに対してセルモニタＭ２は、低温時での性能はセルモニタＭ１と比べて保証されておらず、負電圧の計測や高速での計測も保証されていない。従って、セルモニタＭ１はセルモニタＭ２よりも製造コストが高い。

以上のように、システム１の方がシステム２よりも冷媒に与えることができる熱量が大きく冷間始動に適しているが、その分システム１の方がシステム２よりも製造コストが高い。但し、システム２についてもシステム１と同様に構成した場合よりは、本実施例のシステム１及び２全体の製造コストは低い。しかしながら、システム１のみが冷間始動に適しているため、システム２のＦＣスタック２０が暖機時間は長くなるおそれがある。このため本実施例のＥＣＵ１００は、冷間始動時は以下のような制御を実行する。

［冷間始動時での制御］
次に、ＥＣＵ１００が実行する冷間始動時での制御について説明する。図２は、ＥＣＵ１００が実行する冷間始動時での制御の一例を示したフローチャートである。尚、この制御に関して図３～図６に示した冷媒の流通経路を参照しながら説明する。

最初に、冷間始動であるか否かが判定される（ステップＳ１）。具体的には、外気温センサや温度センサＳ１又はＳ２の温度が０度よりも低い温度を示している状態でイグニッションがオンにされてＦＣスタック１０及び２０の発電が開始された場合には、冷間始動であると判定される。ステップＳ１でＮｏの場合には本制御は終了する。

ステップＳ１でＹｅｓの場合には、バルブＶ１１及びＶ１３を開き、バルブＶ１２、Ｖ３１、及びＶ３２を閉じ（ステップＳ２）、ウォータポンプＷ／Ｐ１を駆動する（ステップＳ３）。これにより、冷媒は図３の経路Ｐ１に従って流れる。即ち、システム１での冷媒はラジエータＲ１をバイパスしてＦＣスタック１０を循環する。尚、この状態ではウォータポンプＷ／Ｐ２は停止しているため、バルブＶ２１～Ｖ２３の開閉状態はどのような状態であってもよい。

次にコンバータＣ１によりＦＣスタック１０の急速暖機発電を開始しつつ、ヒーターＨをオンに制御する（ステップＳ４）。急速暖機発電は、コンバータＣ１によりＦＣスタック１０の出力電圧を低下させつつ、ＦＣスタック１０のカソード側の酸素濃度を低下させて低効率で発電を行うことにより、ＦＣスタック１０の発熱量を確保する発電である。急速暖機発電により、冷媒はＦＣスタック１０内を流れる際に熱を受ける。また、ヒーターＨにより冷媒は加熱される。従って、図３に示した経路Ｐ１に従って循環する間に冷媒の温度は短時間で上昇する。

次に温度センサＳ１により取得された冷媒温度Ｔ１が温度閾値α１よりも高いか否かが判定される（ステップＳ５）。ここで温度閾値α１は例えば０℃であるがこれに限定されず、０℃よりも所定のマージンだけ高い温度であってもよい。ステップＳ５でＮｏの場合には、再度ステップＳ２以降の処理が実行される。

ステップＳ５でＹｅｓの場合には、ＦＣスタック１０の暖機は完了したものとみなして、バルブＶ１３、Ｖ２３、Ｖ３１、及びＶ３２を開き、バルブＶ１１、Ｖ１２、Ｖ２１、及びＶ２２を閉じ（ステップＳ６）、ウォータポンプＷ／Ｐ２を駆動する（ステップＳ７）。これにより、図４に示すように冷媒は経路Ｐ２に従って流れる。即ち、暖機が完了したＦＣスタック１０から排出された冷媒は、排出管１１から供給連通管３１を介して供給管２２を流れて、暖機が未完了のＦＣスタック２０を流れる。また、ＦＣスタック２０から排出管２１に排出された冷媒は、ラジエータＲ２を流れることなく排出連通管３２を流れ、ラジエータＲ１に流れることなくバイパス管１３を流れて供給管１２を介してＦＣスタック１０へと再び流れる。このように、冷媒はラジエータＲ１及びＲ２で放熱することなく、既に暖気が完了しているＦＣスタック１０やヒーターＨからの熱を受け、このような冷媒がＦＣスタック２０に供給されることにより、ＦＣスタック２０の暖機を比較的短時間で完了させることができる。

次に温度センサＳ２により取得された冷媒温度Ｔ２が温度閾値α２よりも高いか否かが判定される（ステップＳ８）。ここで温度閾値α２は例えば０℃であるがこれに限定されず、０℃よりも所定のマージンだけ高い温度であってもよい。また、温度閾値α２は温度閾値α１と同じ温度であっても異なる温度でもよい。ステップＳ８でＮｏの場合には、再度ステップＳ６以降の処理が実行される。

ステップＳ８でＹｅｓの場合、ＦＣスタック２０の暖機が完了したものとみなして、ＦＣスタック１０の急速暖機発電を停止しヒーターＨをオフにし（ステップＳ９）、バルブＶ１１、Ｖ１３、Ｖ２１、及びＶ２３を開き、バルブＶ１２、Ｖ２２、Ｖ３１、及びＶ３２を閉じる（ステップＳ１０）。これにより図５に示すようにシステム１側では経路Ｐ３１に従って冷媒が流れ、システム２側では経路Ｐ３２に従って冷媒が流れる。即ち、バルブＶ３１及びＶ３２が閉じることによりシステム１側とシステム２側とで冷媒が独立に循環し、バルブＶ１２及びＶ２２が閉じられることにより冷媒はラジエータＲ１及びＲ２をバイパスする。

次に冷媒温度Ｔ１が温度閾値β１よりも大きいか否かが判定され（ステップＳ１１）、並列的に冷媒温度Ｔ２が温度閾値β２よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ２１）。温度閾値β１及びβ２のそれぞれは、温度閾値α１及びα２よりも高い温度であり、温度閾値β１と温度閾値β２は同じ温度であっても異なる温度であってもよい。温度閾値β１及びβ２は、例えば４０℃～７０℃内の温度である。ステップＳ１１で及びＳ２１でＮｏの場合には再度ステップＳ１０が実行される。

ステップＳ１１でＹｅｓの場合には、バルブＶ１１及びＶ１２が開き、バルブＶ１３、Ｖ３１、及びＶ３２は閉じ（ステップＳ１２）、ＦＣスタック１０は通常運転が実行されるが（ステップＳ１３）、この際にステップＳ２１でＹｅｓの場合には、バルブＶ２１及びＶ２２が開き、バルブＶ２３、Ｖ３１、及びＶ３２が閉じ（ステップＳ２２）、ＦＣスタック２０は通常運転が実行される（ステップＳ２３）。これにより、図６に示すように冷媒は経路Ｐ４１及びＰ４２を流れ、システム１側及びシステム２側で冷媒がそれぞれラジエータＲ１及びＲ２を流れて冷媒と空気との熱交換が促進される。

ステップＳ１１でＹｅｓであってステップＳ２１でＮｏの場合には、ステップＳ１０よりもステップＳ１２が優先的に適用され、バルブＶ１１及びＶ１２が開きバルブＶ１３、Ｖ３１、及びＶ３２が閉じつつ、バルブＶ２１及びＶ２３が開きバルブＶ２２が閉じる。これにより、システム１側では冷媒はラジエータＲ１を流れシステム２側では冷媒はラジエータＲ２をバイパスする。ステップＳ１１でＮｏであってステップＳ２１でＹｅｓの場合には、ステップＳ１０よりもステップＳ２２が優先的に適用され、バルブＶ２１及びＶ２２が開きバルブＶ２３、Ｖ３１、及びＶ３２が閉じつつ、バルブＶ１１及びＶ１３が開きバルブＶ１２が閉じる。システム２側では冷媒はラジエータＲ２を流れシステム１側では冷媒はラジエータＲ１をバイパスする。

以上のように、冷間始動に適した構成をシステム１側にのみ設けて製造コストの増大を抑制しつつ、図４に示したようにシステム１側で温度が上昇した冷媒を利用してＦＣスタック２０の暖機を行うことにより、ＦＣスタック１０及び２０を早期に暖機させることができる。

［その他］
図４に示したように、冷媒がラジエータＲ１及びＲ２をバイパスして、ヒーターＨ、ＦＣスタック１０、及びＦＣスタック２０を循環するようにバルブの開閉状態を制御することにより短時間で冷媒の温度が上昇するが、必ずしもこれに限定されない。例えば、バルブＶ１２及びＶ２２の少なくとも一方を開いて冷媒の一部がラジエータＲ１及びＲ２の少なくとも一方を流れるようにしてもよい。

ステップＳ４では、コンバータＣ１によるＦＣスタック１０の急速暖機とヒーターＨによる加熱により、システム１側の冷媒の温度の上昇を図ったが、コンバータＣ１によるＦＣスタック１０の急速暖機とヒーターＨによる加熱の何れか一方のみを実行してもよい。即ち、ヒーターＨが設けられていない構成においてはコンバータＣ１によるＦＣスタック１０の急速暖機を行い、ヒーターＨが設けられており急速暖機が可能なコンバータＣ１が設けられていない構成においては、急速暖機を行わずにヒーターＨによる加熱を行ってもよい。

上記実施例ではシステム１及び２をそれぞれ単一のＥＣＵにより制御したが、これに限定されずシステム１側を制御するＥＣＵとシステム２側を制御するＥＣＵが設けられ、この２つが互いに通信することにより燃料電池システムＡ全体を制御する構成であってもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

Ａ 燃料電池システム
１、２ システム
１０、２０ ＦＣスタック
Ｃ１、Ｃ２ コンバータ
Ｍ１、Ｍ２ セルモニタ
Ｒ１、Ｒ２ ラジエータ
Ｗ／Ｐ１、Ｗ／Ｐ２ ウォータポンプ
Ｈ ヒーター
３ 連通機構
３１ 供給連通管
３２ 排出連通管
Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３、Ｖ２１、Ｖ２２、Ｖ２３、Ｖ３１、Ｖ３２ バルブ
１００ ＥＣＵ（制御装置）

Claims (1)

1. 第１燃料電池、第１熱交換機、前記第１熱交換機から前記第１燃料電池に冷媒を供給する第１供給管、及び前記第１燃料電池から前記第１熱交換機に冷媒を排出する第１排出管、を含む第１システムと、
   第２燃料電池、第２熱交換機、前記第２熱交換機から前記第２燃料電池に冷媒を供給する第２供給管、及び前記第２燃料電池から前記第２熱交換機に冷媒を排出する第２排出管、を含む第２システムと、
   前記第１排出管と前記第２供給管とを連通する供給連通管、及び前記供給連通管を開閉するバルブ、を含む連通機構と、
   前記バルブを制御する制御装置と、を備え、
   前記第１システムは、前記第２システムよりも冷媒に与える熱量が多くなるように構成されており、
   前記制御装置は、冷間始動時に前記バルブを開くことにより、前記第１燃料電池から排出され前記第１熱交換機に供給される前の冷媒の一部を、前記第２燃料電池に供給する、燃料電池システム。
   

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