JP4070903B2

JP4070903B2 - Fuel cell system and fuel cell heating method

Info

Publication number: JP4070903B2
Application number: JP10075499A
Authority: JP
Inventors: 信雄藤田; 基生原田; 剛高橋; 鈴木　　昌彦; 邦夫岡本; 直人堀田; 佐々木　　博邦
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-04-08
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2019-04-08
Also published as: JP2000294263A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法に関し、詳しくは、単電池を積層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムおよび単電池を積層してなる積層体を有する燃料電池の加温方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、２分割された燃料電池スタックの一方を加温した燃焼ガスを改質器の排ガスとの熱交換により加温して燃料電池スタックの他方を加温するものが提案されている（例えば、特開平２−１３９８７１号公報など）。このシステムは、２分割された燃料電池スタックの間に熱交換器を備えると共に燃料電池スタックの一方，熱交換器，燃料電池スタックの他方の順に冷却および加温用の循環流路を備えており、燃料を燃焼させることにより加熱した燃焼ガスを循環流路により供給して燃料電池スタックの一方を加温し、改質器の排ガスを熱交換器に供給して燃料電池スタックの一方を加温することにより降温したガスを加熱して燃料電池スタックの他方を加温する。この結果、このシステムによれば、燃料電池スタックを迅速に起動可能な温度にすることができる、とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、燃料電池スタックを効果的に迅速に加温することができない場合を生じるという問題があった。上述の燃料電池システムでは、改質器の存在が必須となり、改質器が存在しないシステムでは燃料電池スタックを迅速に加温することができない。
【０００４】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池を構成する積層体を迅速に加温することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を構成する積層体を効率的に加温することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池システムは、システム全体の小型化を目的の一つとする。本発明の燃料電池の加温方法は、燃料電池を構成する積層体を迅速に加温することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の加温方法は、燃料電池を構成する積層体を効率的に加温することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、単電池を積層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムであって、前記複数の積層体毎に熱交換媒体を循環可能な熱交換媒体循環手段と、前記熱交換媒体を加温可能な第１加温手段と、前記複数の積層体毎に燃料を供給可能な燃料供給手段と、前記複数の積層体により発電された電力を用いて前記熱交換媒体を加温可能な第２加温手段と、所定の指示のとき、前記複数の積層体の一部を加温した後に前記一部の積層体での発電により生じる熱と前記一部の積層体から供給される電力を用いて発生させた熱とにより加温された熱交換媒体によって他の積層体を加温するよう前記熱交換媒体循環手段による熱交換媒体循環路形成、前記第１加温手段による熱交換媒体の加温、前記燃料供給手段による積層体への燃料供給、および前記第２加温手段による熱交換媒体の加温を制御する加温制御手段とを備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池システムでは、所定の指示のときに、加温制御手段が複数の積層体の一部を加温した後に他の積層体を加温するよう熱交換媒体循環手段と第１加温手段と燃料供給手段と第２加温手段とを制御することにより、複数の積層体を加温することができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体の温度を検出する温度検出手段を備え、前記加温制御手段は、前記複数の積層体の一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御すると共に前記熱交換媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する第１加温制御手段と、前記温度検出手段により検出される前記複数の積層体の一部の温度が所定温度になったとき、該一部の積層体に燃料を供給するよう前記燃料供給手段を制御すると共に前記一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御し、前記一部の積層体により発電された電力を用いて前記熱交換媒体を加温するよう前記第２加温手段を制御する第２加温制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、加温された一部の積層体を作動させて得られる電力を用いて他の積層体の一部を加温するから、複数の積層体を迅速に加温することができる。また、第１加温手段は積層体の一部を加温するのに必要な熱量を熱交換媒体に加えることができればよいから、第１加温手段として小型のものを用いることができ、システム全体を小型化することができる。
【０００９】
この加温制御手段が第１加温制御手段と第２加温制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記第２加温制御手段は、前記一部の積層体を介して前記他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、一部の積層体が発電に伴い生じる熱を用いて他の積層体の一部を加温することができる。この結果、発生する熱を効率的に利用することができると共に、より迅速に複数の積層体を加温することができる。
【００１０】
また、加温制御手段が第１加温制御手段と第２加温制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記第２加温制御手段は、前記熱交換媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に他の積層体の一部を加温することができる。
【００１１】
これら各態様を含め本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１加温手段は、燃焼用の燃料の供給を受けて該燃料を燃焼することにより前記熱交換媒体を加温する手段であるものとすることもできる。こうすれば、迅速に熱量を熱交換媒体に供給することができる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体毎に前記第１加温手段の排気を供給可能な排気供給手段と、前記加温制御手段による加温に対応して前記第１加温手段の排気を前記複数の積層体の一部に供給するよう前記排気供給手段を制御する排気制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、さらにエネルギ効率を向上させることができると共に迅速に積層体を加温することができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体のすべての加温が終了したとき、前記第１加温手段と前記第２加温手段による前記熱交換媒体の加温を停止する加温停止手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、複数の積層体が過剰に加温されるのを防止することができる。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、前記熱交換媒体を冷却可能な熱交換媒体冷却手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、始動後は、熱交換媒体循環手段を複数の積層体を冷却可能な冷却装置として機能させることができる。この結果、複数の積層体の加温と冷却とを同一の熱交換媒体により行なうことができるから、別々に行なうシステムに比してシステム全体を小型のものにすることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の加温方法は、単電池を積層してなる積層体を有する燃料電池の加温方法であって、前記積層体の一部を加温する第１加温ステップと、該一部の積層体の加温が終了したとき、該一部の積層体に燃料を供給して発電させ該一部の積層体の出力端子から供給される電力を用いて該一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部を加温する第２加温ステップとを備えることを要旨とする。
【００１５】
この本発明の燃料電池の加温方法では、一部の積層体の加温が終了した後に、この一部の積層体に燃料を供給して得られる電力を用いて一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部を加温することにより、積層体全体を迅速に加温することができる。
【００１６】
この本発明の燃料電池の加温方法において、前記第１加温ステップは、燃料を燃焼することにより生じる熱を用いて前記積層体の一部を加温するステップであるものとすることもできる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の加温方法において、前記第２加温ステップは、前記一部の積層体に燃料を供給することにより該一部の積層体が生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステップであるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に積層体を加温することができると共に、加温の際のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の燃料電池の加温方法において、前記第２加温ステップは、燃料を燃焼することにより生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステップであるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に積層体を加温することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、４つの燃料電池スタック２２〜２８と、この４つの燃料電池スタック２２〜２８に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料供給装置３０と、４つの燃料電池スタック２２〜２８を加温および冷却する加温冷却装置４０と、燃料電池システム２０全体をコントロールする電子制御ユニット８０とを備える。
【００２０】
４つの燃料電池スタック２２〜２８（以下、個別に呼ぶときには第１〜第４燃料電池スタックという）は、いずれも湿潤状態でプロトン伝導性を有する固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池の単位セルを複数積層して構成されている。各燃料電池スタック２２〜２８には、燃料供給装置３０から供給される燃料ガスを各単位セルの燃料極に供給する燃料ガス流路３３，３５，３７，３９と、酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気など）を各単位セルの酸素極に供給する図示しない酸化ガス流路と、加温冷却装置４０に用いられる熱交換媒体（例えば、水や不凍液など）の流路としての熱交換媒体流路５３，５５，５７，５９とが設けられている。また、各燃料電池スタック２２〜２８には、それぞれの燃料電池スタックの温度を検出する温度センサ（以下、第１〜第４スタック温度センサという）７２〜７８が取り付けられている。
【００２１】
燃料供給装置３０は、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を水蒸気改質して水素を含有する燃料ガスを得る改質器等の燃料生成装置や、水素ガスを貯蔵する水素タンク等として構成されており、各燃料電池スタック２２〜２８にその需要に応じた燃料ガスを供給する。なお、燃料供給装置３０から各燃料電池スタック２２〜２８への燃料ガス供給管３１は、分岐管を介して各燃料電池スタック２２〜２８の燃料ガス流路３３，３５，３７，３９に接続されており、その流入口には各燃料電池スタック２２〜２８への燃料ガスの供給を司る電磁弁（以下、各電磁弁を第１〜第４燃料バルブという）３２，３４，３６，３８が取り付けられている。
【００２２】
加温冷却装置４０は、各燃料電池スタック２２〜２８の熱交換媒体流路５３，５５，５７，５９に接続されて循環管路を形成する循環形成管路５０と、この循環形成管路５０に熱交換媒体を循環させるポンプ４２と、循環管路に循環する熱交換媒体を加温する燃焼器４４と、同じく循環管路に循環する熱交換媒体を加温する電気ヒータ４６と、循環形成管路５０にバイパス管路として取り付けられた熱交換器４８とを備える。循環形成管路５０の各燃料電池スタック２２〜２８への流入口には各燃料電池スタック２２〜２８への熱交換媒体の循環を司る電磁弁（以下、第１〜第４循環バルブという）５２，５４，５６，５８が取り付けられている。
【００２３】
燃焼器４４は、燃料ガスを燃焼する燃焼部４５を備えており、この燃焼部４５には分岐管６２を介して燃料ガス供給管３１から燃料ガスが供給される。この分岐管６２の燃焼部４５への流入口には、燃料ガスの供給を司る電磁弁（以下、燃焼器燃料バルブという）６４が取り付けられている。また、燃焼器４４には、出口付近の熱交換媒体の温度を検出する燃焼器温度センサ６６が取り付けられている。燃焼器燃料バルブ６４や燃焼器温度センサ６６，燃焼部４５は信号ラインにより電子制御ユニット８０に接続されており、電子制御ユニット８０により燃焼器温度センサ６６が検出する温度が所定温度を越えないよう燃焼部４５による燃料ガスの燃焼が制御されるようになっている。
【００２４】
図２は、各燃料電池スタック２２〜２８と電気ヒータ４６との電気系統を模式的に示した模式図である。図示するように電気ヒータ４６は、通電により発熱する発熱体（例えば、ニクロム線など）４６ａと、発熱体４６ａへの通電を司るスイッチ４７と、電気ヒータ４６の出口付近の熱交換媒体の温度を検出する電気ヒータ温度センサ６７とを備えており、発熱体４６ａへの通電により循環形成管路５０に流れる熱交換媒体を加熱する。なお、スイッチ４７と電気ヒータ温度センサ６７は信号ラインにより電子制御ユニット８０に接続されており、電子制御ユニット８０により電気ヒータ温度センサ６７が検出する温度が所定温度を越えないようスイッチ４７のオンオフが制御されるようになっている。
【００２５】
また、図２に示すように、電気ヒータ４６に接続された電力ライン９２は、第１燃料電池スタック２２の出力端子２２ａ，２２ｂと接続されると共に、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂを介して第２および第３燃料電池スタック２４，２６の出力端子２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂに接続されている。したがって、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂをオンとすることにより第１ないし第３燃料電池スタック２２〜２６は並列に接続され、これらの燃料電池スタックにより発電される電力が電気ヒータ４６に供給されるようになっている。電力ライン９２はリレー９８ａと第４燃料電池スタック２８とを介して電力ライン９３に接続されており、この電力ライン９２，９３は、リレー９１ａ，９１ｂを介してバッテリ９０の出力端子９０ａ，９０ｂに接続されている。また、各燃料電池スタック２２〜２８は、リレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃを介して各燃料電池スタック２２〜２８の異極端子が接続されており、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ，９８ａをオフとした状態でリレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃをオンとすることにより各燃料電池スタック２２〜２８を直列に接続することができるようになっている。この状態で更にリレー９１ａ，９１ｂをオンとすれば、燃料電池スタック２２〜２８により発電された電力を用いてバッテリ９０を充電することができる。
【００２６】
図１に戻って、熱交換器４８は、三方弁（以下、冷却三方弁という）６０を介して循環形成管路５０にバイパス的に接続されており、各燃料電池スタック２２〜２８が定常運転状態のときに管路形成されて循環形成管路５０に流れる熱交換媒体を外気と熱交換して冷却する。なお、熱交換器４８には、熱交換器４８の出口付近の熱交換媒体の温度を検出する熱交換器温度センサ６８が取り付けられている。
【００２７】
図３は、電子制御ユニット８０を中心とした燃料電池システム２０の電気的な構成の概略を示すブロック図である。図示するように、電子制御ユニット８０は、ＣＰＵ８２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ８６と、各種信号を入力する入力処理回路８８と、各種信号を出力する出力処理回路８９とを備える。この電子制御ユニット８０には、燃焼器温度センサ６６からの燃焼器４４の出口付近の熱交換媒体の温度や電気ヒータ温度センサ６７からの電気ヒータ４６の出口付近の熱交換媒体の温度，熱交換器温度センサ６８からの熱交換器４８の出口付近の熱交換媒体の温度，第１〜第４スタック温度センサ７２〜７８からの各燃料電池スタック２２〜２８の温度Ｔ１〜Ｔ４などが入力処理回路８８を介して入力されている。また、電子制御ユニット８０からは、ポンプ４２への駆動信号や燃焼部４５への点火信号，燃焼器燃料バルブ６４への駆動信号，電気ヒータ４６への駆動信号，冷却三方弁６０への駆動信号，第１〜第４燃料バルブ３２，３４，３６，３８への駆動信号，第１〜第４循環バルブ５２，５４，５６，５８への駆動信号，各リレー９１ａ，９１ｂ，９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９８ａ，９８ｃへの駆動信号などが出力処理回路８９を介して出力されている。
【００２８】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池システム２０を始動するときに各燃料電池スタック２２〜２８を加温する動作について説明する。図４は、電子制御ユニット８０により実行される加温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、実施例の燃料電池システム２０が起動される際に各燃料電池スタック２２〜２８の温度が所定温度以下（例えば、０℃以下）のときに実行される。
【００２９】
図４の加温処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ８２は、まず第１燃料電池スタック２２を加温するための第１循環管路５０ａを形成する処理を実行する（ステップＳ１００）。第１循環管路５０ａの形成は、電子制御ユニット８０から第１〜第４循環バルブ５２，５４，５６，５８に駆動信号を出力して第１循環バルブ５２を開成すると共に第２〜第４循環バルブ５４，５６，５８を閉成し、更に、冷却三方弁６０に駆動信号を出力して熱交換媒体が熱交換器４８を通らないよう管路形成することにより行なう。図５は、こうして第１循環管路５０ａが形成されて、これにより第１燃料電池スタック２２が加温される様子を示す説明図である。なお、第１循環管路５０ａを解りやすくするため、第１循環管路５０ａを構成しない第２燃料電池スタック２４等の管路の図示は省略してある。
【００３０】
次に、ポンプ４２を駆動して熱交換媒体を第１循環管路５０ａに循環させると共に（ステップＳ１０２）、燃焼器４４による熱交換媒体の加温の処理を実行する（ステップＳ１０４）。燃焼器４４による加温は、具体的には、電子制御ユニット８０から燃焼器燃料バルブ６４に駆動信号を出力して燃焼器燃料バルブ６４を開成すると共に燃焼部４５に点火信号を出力して燃焼部４５に供給される燃料ガスを燃焼させることにより行なう。
【００３１】
続いて、第１スタック温度センサ７２により検出される第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１を読み込み（ステップＳ１０６）、読み込んだ温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理を実行する（ステップＳ１０８）。ここで閾値Ｔｒは、実施例では第１燃料電池スタック２２の始動可能な最低温度より若干高い温度、例えば第１燃料電池スタック２２内で凍結している水分が完全に解凍している状態と考えられる温度（例えば、５℃など）として設定されている。なお、この第１循環管路５０ａを形成すると共に燃焼器４４により加温する状態では、各燃料電池スタック２２〜２８は停止しているから、第１〜第４燃料バルブ３２，３４，３６，３８は閉成されている。
【００３２】
第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなると、ＣＰＵ８２は、第２循環管路５０ｂを形成する処理を実行する（ステップＳ１１０）。第２循環管路５０ｂの形成は、第１循環管路５０ａの状態で電子制御ユニット８０から第２循環バルブ５４に駆動信号を出力して第２循環バルブ５４を開成することにより行なう。図６は、この第２循環管路５０ｂを形成すると共に第１燃料電池スタック２２を運転して第２燃料電池スタック２４を加温する様子を示す説明図である。図示するように、第２循環管路５０ｂは、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とが並列に接続された循環管路として形成される。続いて、ＣＰＵ８２は、第１燃料電池スタック２２を始動すると共に（ステップＳ１１２）、電気ヒータ４６を駆動する処理を実行する（ステップＳ１１４）。第１燃料電池スタック２２の始動は、第１燃料電池スタック２２の燃料ガス流路３３に燃料ガスを供給するために第１燃料バルブ３２を開成すると共に、第１燃料電池スタック２２の図示しない酸化ガス流路に酸化ガスを供給することにより行なわれる。また、電気ヒータ４６の駆動は、リレー９４ａ，９４ｂ，９４ｃをいずれもオフとした状態で電気ヒータ４６とスイッチ４７をオンとすることにより行なう。この回路構成では、第１燃料電池スタック２２により発電された電力が電気ヒータ４６に供給されることになる。したがって、第２循環管路５０ｂを循環する熱交換媒体は燃焼器４４と電気ヒータ４６とにより加温されることになる。一般的に燃料電池は発電に伴い発熱するから、第１燃料電池スタック２２も発電に伴って生じる熱により熱交換媒体を加温することになる。故に、第２燃料電池スタック２４は、燃焼器４４と電気ヒータ４６と第１燃料電池スタック２２とにより加温されることになる。
【００３３】
次に、ＣＰＵ８２はカウンタＣに値２を設定し（ステップＳ１１６）、カウンタＣの値に該当する燃料電池スタックの温度ＴＣを読み込み（ステップＳ１１８）、この温度ＴＣが閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理を実行する（ステップＳ１２０）。後述するが、この処理（ステップＳ１１８およびＳ１２０）と後続するステップＳ１２２ないしＳ１２８の処理は、すべての燃料電池スタックについて行なわれ、最後の燃料電池スタックの温度が閾値Ｔｒより大きくなったときに、ステップＳ１３０以降の処理に移る。いま、カウンタＣには値２が設定されているときを考えれば、ステップＳ１１８およびＳ１２０の処理は、第２燃料電池スタック２４の温度Ｔ２を第２スタック温度センサ７４から読み込み、この温度Ｔ２が閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理となる。
【００３４】
温度ＴＣが閾値Ｔｒより大きくなると、カウンタＣの値に該当する燃料電池スタックを始動し（ステップＳ１２２）、カウンタＣと値４とを比較する（ステップＳ１２４）。カウンタＣが値２のときを考えれば、この処理は、第２燃料電池スタック２４を始動し、カウンタＣは値４に等しくないと判定される処理となる。なお、第２燃料電池スタック２４の始動は、第２燃料電池スタック２４の燃料ガス流路３５に燃料ガスを供給するために第２燃料バルブ３４を開成すると共に、第２燃料電池スタック２４の図示しない酸化ガス流路に酸化ガスを供給することにより行なわれる。この燃料電池スタックの始動は、更に、始動した燃料電池スタックの電気ヒータ４６への接続も同時に行なわれる。すなわち、カウンタＣが値２の時を考えれば、第２燃料電池スタック２４を第１燃料電池スタック２２と並列に電気ヒータ４６に接続するために、リレー９６ａ，９６ｂ，９６ｃをオフとした状態でリレー９４ａ，９６ｂをオンとするのである。なお、リレー９４ｃはオフの状態のままである。このように接続することにより、第１燃料電池スタック２２により発電された電力と第２燃料電池スタック２４により発電された電力が電気ヒータ４６に供給されることになる。
【００３５】
いま、カウンタＣが値２のときを考えているから、ステップＳ１２４の処理ではカウンタＣは値４に等しくないと判定され、カウンタＣをインクリメントすると共に（ステップＳ１２６）、カウンタＣの値に該当する循環管路を形成する処理を実行し（ステップＳ１２８）、ステップＳ１１８に戻る。カウンタＣが値２のときを考えれば、カウンタＣが値３にインクリメントされ、第２循環管路５０ｂの状態で第３循環バルブ５６を開成して第３燃料電池スタック２６を循環管路に取り込むのである。この結果、第３燃料電池スタック２６は、燃焼器４４による熱交換媒体の加温と、第１燃料電池スタック２２および第２燃料電池スタック２４により発電された電力を用いる電気ヒータ４６による熱交換媒体の加温と、第１燃料電池スタック２２および第２燃料電池スタック２４の発電に伴って生じる熱による熱交換媒体の加温とにより加温されることになる。こうした加温の関係はカウンタＣの値により定まるのは、容易に理解される。なお、ステップＳ１２４では、カウンタＣを値４と比較しているが、これは実施例の燃料電池システム２０が４つの燃料電池スタック２２〜２８を備えているからであり、この比較する値は分割された燃料電池スタックの数に一致するものである。
【００３６】
こうして第３燃料電池スタック２６も第４燃料電池スタック２８も加温されると、燃料電池スタックの加温は終了したと判定され、電気ヒータ４６を停止すると共に（ステップＳ１３０）、燃焼器４４も停止され（ステップＳ１３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成する処理を実行して（ステップＳ１３４）、本ルーチンを終了する。ここで、電気ヒータ４６の停止処理には、スイッチ４７をオフする処理だけでなく、各燃料電池スタック２２〜２８を直列に接続してバッテリ９０に接続する処理も含まれる。具体的には、リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ，９８ａをオフとし、リレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃをオンとすると共にリレー９１ａ，９１ｂをオンとするのである。この結果、始動した各燃料電池スタック２２〜２８により発電される電力でバッテリ９０が充電される。なお、冷却用の循環管路の形成は、電子制御ユニット８０から冷却三方弁６０に駆動信号を出力して、熱交換器４８に熱交換媒体が流れるようにすることにより行なわれる。
【００３７】
図７は、実施例の燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。図中矢印は、矢印の元の燃料電池スタックの発電による電力と発電に伴う熱が矢印の先の燃料電池スタックの加温に用いられていることを示している。図示するように、時間ｔ１で第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなって第１燃料電池スタック２２の加温が終了すると共に第２循環管路５０ｂが形成されて第２燃料電池スタック２４の加温が開始される。同様に時間ｔ２およびｔ３では第２燃料電池スタック２４や第３燃料電池スタック２６の加温が終了すると共に第３燃料電池スタック２６や第４燃料電池スタック２８の加温が開始される。時間ｔｅでは第４燃料電池スタック２８の加温も終了し、各燃料電池スタック２２〜２８によるバッテリ９０の充電が開始される。
【００３８】
図８は、実施例の燃料電池システム２０と従来例の燃料電池システムとにより各燃料電池スタックが加温される様子を模式的に示す説明図である。ここで、従来例の燃料電池システムは、燃焼器４４による加温で同時に各燃料電池スタック２２〜２８を加温するシステムである。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、従来例の燃料電池システムに比して短時間にすべての燃料電池スタックを目標温度である閾値Ｔｒ以上まで加温することができる。なお、従来例の燃料電池システムを、実施例の燃料電池システム２０と同様に短時間で加温を終了するものとするために燃料器４４の規模を大きくすることもできるが、この場合、システムが大型化すると共にエネルギ効率も格段と下がるものとなる。
【００３９】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、４つの燃料電池スタック２２〜２８を順次加温することができる。この結果、燃焼器４４を小型のものとすることができるから、システムの小型化も図ることができる。しかも、加温が終了した燃料電池スタックにより発電される電力で電気ヒータ４６を駆動し、まだ加温されていない燃料電池スタックを加温するから、加温の際のエネルギ効率を高くすることができると共に迅速に加温することができる。さらに、加温が終了した燃料電池スタックの発電に伴う熱をも用いてまだ加温されていない燃料電池スタックを加温するから、加温の際のエネルギ効率をさらに高くすることができると共により迅速に加温を終了することができる。
【００４０】
実施例の燃料電池システム２０では、燃焼器４４の燃焼部４５で燃焼された排ガスは大気に開放されているが、この排ガスを燃料電池スタックの燃料ガス流路や酸化ガス流路に導入して燃料電池スタックの加温を更に促進するものとすることもできる。この変形例の燃料電池システム２０Ｂの構成の概略を図９に例示する。図示するように、変形例の燃料電池システム２０Ｂは、燃焼器４４の燃焼部４５の排ガスを各燃料電池スタック２２〜２８の酸化ガス流路に導入する排ガス管１００を備える。排ガス管１００には、排ガスを大気開放するための三方弁１０２と、各燃料電池スタック２２〜２８へ排ガスを供給するための電磁弁として構成された第１〜第４排ガスバルブ１１２〜１１８とが設けられている。この変形例の燃料電池システム２０Ｂでは、各燃料電池スタックが加温される際に、対応する排ガスバルブが開成されて加温される燃料電池スタックの酸化ガス流路に排ガスが流されるようになっている。この変形例の燃料電池システム２０Ｂによれば、排ガスの熱をも用いて燃料電池スタックを加温するから、より迅速に燃料電池スタックを加温することができると共にエネルギ効率を向上させることができる。
【００４１】
実施例の燃料電池システム２０では、順番に各燃料電池スタック２２〜２８を加温したが、第１燃料電池スタック２２の加温後、残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温するものとしてもよい。この場合の加温処理ルーチンを図１０に例示する。この加温処理ルーチンのステップＳ２００ないしＳ２０８の処理およびステップＳ２３０ないしＳ２３４の処理は、図４に例示する加温処理ルーチンのステップＳ１００ないしＳ１０８の処理およびステップＳ１３０ないしＳ１３４の処理と同一である。こうした同一の処理の説明は省略し、以下にこの図１０の加温処理ルーチンに基づいて、第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温する処理を説明する。
【００４２】
第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなると（ステップＳ２０６，Ｓ２０８）、すべての燃料電池スタック２２〜２８を循環管路に構成する加温循環管路５０ｄを形成する処理を実行する（ステップＳ２１０）。加温循環管路５０ｄの形成は、具体的には、図５に示す第１循環管路５０ａの状態から第２〜第４循環バルブ５４，５６，５８を開成することにより行なう。そして、第１燃料電池スタック２２を始動すると共に（ステップＳ２１２）、電気ヒータ４６を駆動する（ステップＳ２１４）。この加温循環管路５０ｄにより第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８が加温されている様子を図１１に例示する。図示するように、第１燃料電池スタック２２には燃料ガスが供給されている。したがって、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８は、燃焼器４４による加温と、第１燃料電池スタック２２の発電による電力を用いる電気ヒータ４６の加温と、第１燃料電池スタック２２の発電に伴って生じる熱による加温とによって加温される。
【００４３】
そして、第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３を読み込み（ステップＳ２１８）、読み込んだ温度Ｔ３が閾値Ｔｒより大きくなったときに（ステップＳ２２０）、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８の加温が終了したと判断し、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８を始動すると共に（ステップＳ２２２）、電気ヒータ４６と燃焼器４４とを停止し（ステップＳ２３０，Ｓ２３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成して（ステップＳ２３４）、本ルーチンを終了する。こうした第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温する様子を図１２に模式的に示す。
【００４４】
以上説明したように変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０によれば、第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温することができる。この構成の場合、電気ヒータ４６には第１燃料電池スタック２２により発電された電力だけが供給されるから、電気ヒータ４６を容量の小さなものにすることができる。また、電気ヒータ４６の端子には第１燃料電池スタック２２の出力端子だけが接続できればよいから、図２に例示した電気系統における各燃料電池スタック２２〜２８とバッテリ９０との接続や電気ヒータ４６との接続を簡易なものとすることができる。
【００４５】
この変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０では、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８の加温の終了を第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３により判定したが、第２燃料電池スタック２４の温度Ｔ２や第４燃料電池スタック２８の温度Ｔ４により判定するものとしてもよい。
【００４６】
実施例の加温処理ルーチンや変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０では、まず第１燃料電池スタック２２を加温したが、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温し、その後第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを加温するものとしてもよい。この場合の加温処理ルーチンを図１３に例示する。このルーチンでは、ＣＰＵ８２はまず第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温するための第１加温循環管路５０ｅを形成し（ステップＳ３００）、ポンプ４２と燃焼器４４とを駆動して加温を開始する（ステップＳ３０２，Ｓ３０４）。第１加温循環管路５０ｅの形成は、第１循環バルブ５２と第２循環バルブ５４とを開成すると共に第３循環バルブ５６と第４循環バルブ５８とを閉成することにより行なう。第１加温循環管路５０ｅにより第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とが加温される様子を図１４に例示する。
【００４７】
そして、第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなるのを待って（ステップＳ３０６，Ｓ３０８）、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８を加温するための第２加温循環管路５０ｆを形成し（ステップＳ３１０）、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを始動すると共に（ステップＳ３１２）、電気ヒータ４６による加温を開始する（ステップＳ３１４）。第２加温循環管路５０ｆの形成は、第１加温循環管路５０ｅの状態から第３循環バルブ５６と第４循環バルブ５８とを開成することにより行なう。第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを運転して第２加温循環管路５０ｆにより第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とが加温される様子を図１５に例示する。そして、ＣＰＵ８２は、第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３が閾値Ｔｒより大きくなるのを待って（ステップＳ３１８，Ｓ３２０）、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを始動すると共に（ステップＳ３２２）、電気ヒータ４６と燃焼器４４とを停止し（ステップＳ３３０，Ｓ３３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成して（ステップＳ３３４）、本ルーチンを終了する。こうした第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温する様子を図１６に模式的に示す。
【００４８】
以上説明したように変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０によれば、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温することができる。この構成の場合、電気ヒータ４６には第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とにより発電された電力が供給されるから、電気ヒータ４６の容量はそれに応じたものとなる。また、電気ヒータ４６の端子には第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４の出力端子が接続できればよいから、図２に例示した電気系統における各燃料電池スタック２２〜２８とバッテリ９０との接続や電気ヒータ４６との接続を簡易なものとすることができる。
【００４９】
この他、４つの燃料電池スタック２２〜２８の加温の手法として、まず第１燃料電池スタック２２を加温し、次に第２燃料電池スタック２４を加温し、その後、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを同時に加温するもの等としてもよい。
【００５０】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、閾値Ｔｒを燃料電池スタックが始動可能な最低温度より若干高い温度として設定したが、閾値Ｔｒを燃料電池スタックの定常運転温度より若干低い温度として設定したり、所定の出力を得ることができる運転温度として設定するものとしてもよい。
【００５１】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、燃焼器４４の燃料として各燃料電池スタック２２〜２８へ供給する燃料ガスを供給したが、異なる燃料を供給するものとしてもよい。また、燃焼器４４に代えて電気により熱交換媒体を加温するものを備えるものとしてもよい。
【００５２】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、４つの燃料電池スタック２２〜２８を備えるものとしたが、２つの燃料電池スタックや３つの燃料電池スタック、または５以上の燃料電池スタックを備えるものとしてもよい。その場合、複数の燃料電池スタックのうちの１または２以上の一部の燃料電池スタックを加温し、その後、加温された燃料電池スタックにより発電される電力を用いて残りの燃料電池スタックの一部または全部を加温するものであれば、如何なる組み合わせにより加温するものとしてもよい。
【００５３】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、４つの燃料電池スタック２２〜２８を固体高分子型燃料電池として構成したが、リン酸型燃料電池など他の型の燃料電池として構成してもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】各燃料電池スタック２２〜２８と電気ヒータ４６との電気系統を模式的に示した模式図である。
【図３】電子制御ユニット８０を中心とした燃料電池システム２０の電気的な構成の概略を示すブロック図である。
【図４】電子制御ユニット８０により実行される加温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】第１循環管路５０ａにより第１燃料電池スタック２２を加温する様子を説明する説明図である。
【図６】第１燃料電池スタック２２を運転して第２循環管路５０ｂにより第２燃料電池スタック２４を加温する様子を示す説明図である。
【図７】実施例の燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図８】実施例の燃料電池システム２０と従来例の燃料電池システムとにより各燃料電池スタックが加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図９】変形例の燃料電池システム２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図１０】電子制御ユニット８０により実行される変形例の加温処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図１１】加温循環管路５０ｄにより第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８を加温している様子を示す説明図である。
【図１２】変形例の加温処理ルーチンにより燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図１３】電子制御ユニット８０により実行される変形例の加温処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図１４】第１加温循環管路５０ｅにより第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温している様子を示す説明図である。
【図１５】第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを運転して第２加温循環管路５０ｆにより第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを加温している様子を示す説明図である。
【図１６】第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温する様子を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
２０，２０Ｂ燃料電池システム、２２〜２８燃料電池スタック、２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ出力端子、３０燃料供給装置、３２，３４，３６，３８燃料バルブ、３３，３５，３７，３９燃料ガス流路、４０加温冷却装置、４２ポンプ、４４燃焼器、４５燃焼部、４６電気ヒータ、４６ａ発熱体、４７スイッチ、４８熱交換器、５０循環形成管路、５２，５４，５６，５８循環バルブ、５３，５５，５７，５９熱交換媒体流路、６０冷却三方弁、６２分岐管、６４燃焼器燃料バルブ、６６燃焼器温度センサ、６８熱交換器温度センサ、７２，７４，７６，７８スタック温度センサ、８０電子制御ユニット、８２ＣＰＵ、８４ＲＯＭ、８６ＲＡＭ、８８入力処理回路、８９出力処理回路、９０バッテリ、９０ａ，９０ｂ出力端子、９１ａ，９１ｂリレー、９２，９３電力ライン、９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９８ａ，９８ｃリレー、１００排ガス管、１０２三方弁、１１２，１１４，１１６，１１８排ガスバルブ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system and a method for heating a fuel cell, and more specifically, a fuel cell system having a plurality of laminates in which unit cells are laminated and a fuel cell having a laminate in which unit cells are laminated. It relates to a heating method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in this type of fuel cell system, the combustion gas obtained by heating one of the two divided fuel cell stacks is heated by heat exchange with the exhaust gas of the reformer, and the other fuel cell stack is heated. A thing is proposed (for example, Unexamined-Japanese-Patent No. 2-139871 etc.). This system includes a heat exchanger between two divided fuel cell stacks, and a circulation channel for cooling and heating in the order of one of the fuel cell stacks, the other of the heat exchangers and the fuel cell stacks. The combustion gas heated by burning the fuel is supplied through the circulation flow path to heat one of the fuel cell stacks, and the exhaust gas from the reformer is supplied to the heat exchanger to warm one of the fuel cell stacks. The heated gas is heated to heat the other side of the fuel cell stack. As a result, according to this system, the fuel cell stack can be set to a temperature at which it can be quickly started.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a fuel cell system has a problem that the fuel cell stack cannot be heated effectively and quickly. In the fuel cell system described above, the presence of the reformer is essential, and the fuel cell stack cannot be quickly heated in a system without the reformer.
[0004]
One object of the fuel cell system of the present invention is to quickly heat the laminated body constituting the fuel cell. Another object of the fuel cell system of the present invention is to efficiently heat the laminated body constituting the fuel cell. Furthermore, the fuel cell system of the present invention is one of the objects for downsizing the entire system. The fuel cell warming method of the present invention has an object of rapidly heating a laminate constituting the fuel cell. Another object of the method for heating a fuel cell according to the present invention is to efficiently heat a laminated body constituting the fuel cell.
[0005]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
The fuel cell system and the fuel cell heating method of the present invention employ the following means in order to achieve at least a part of the above object.
[0006]
The fuel cell system of the present invention is a fuel cell system having a plurality of stacked bodies formed by stacking unit cells, and a heat exchange medium circulating means capable of circulating a heat exchange medium for each of the plurality of stacked bodies, First heating means capable of heating the heat exchange medium, fuel supply means capable of supplying fuel to each of the plurality of stacked bodies, and the heat exchange medium using electric power generated by the plurality of stacked bodies A second heating means capable of heating and, after a predetermined instruction, after heating a part of the plurality of laminates By a heat exchange medium heated by heat generated by power generation in the partial laminate and heat generated using electric power supplied from the partial laminate The heat exchange medium circulating means for heating other laminates Heat exchange medium circulation path formation, Said first heating means Heating of the heat exchange medium by The fuel supply means The fuel supply to the stack by Said second heating means Of the heat exchange medium by heating And a heating control means for controlling the temperature.
[0007]
In the fuel cell system of the present invention, when a predetermined instruction is given, the heating control means and the first heat exchange medium circulating means and the first heating means heat the other stacked bodies after heating some of the stacked bodies. By controlling the heating means, the fuel supply means, and the second heating means, the plurality of stacked bodies can be heated.
[0008]
In such a fuel cell system of the present invention, the fuel cell system includes temperature detection means for detecting temperatures of the plurality of stacked bodies, and the heating control means is configured to circulate the heat exchange medium in a part of the plurality of stacked bodies. A first heating control unit for controlling the first heating unit to control the heat exchange medium circulation unit and to heat the heat exchange medium; and one of the plurality of laminates detected by the temperature detection unit. When the temperature of the part reaches a predetermined temperature, the fuel supply means is controlled so as to supply fuel to the partial laminate, and the heat is applied to at least a part of the other laminates excluding the partial laminate. A second control unit that controls the heat exchange medium circulation unit to circulate the exchange medium, and controls the second heating unit to heat the heat exchange medium by using the electric power generated by the partial laminate. With heating control means It is also possible to. By so doing, a part of the other laminates is heated using the electric power obtained by operating some of the heated laminates, so that a plurality of laminates can be quickly heated. Moreover, since the 1st heating means should just add the calorie | heat amount required for heating a part of laminated body to a heat exchange medium, a small thing can be used as a 1st heating means, and a system The whole can be reduced in size.
[0009]
In the fuel cell system of the present invention in which the warming control means includes first warming control means and second warming control means, the second warming control means is interposed via the partial stack. It may be a means for controlling the heat exchange medium circulation means so that the heat exchange medium circulates in at least a part of the other laminate. If it carries out like this, a part of other laminated body can be heated using the heat which a part of laminated body produces with an electric power generation. As a result, the generated heat can be used efficiently, and a plurality of laminated bodies can be heated more quickly.
[0010]
Further, in the fuel cell system of the present invention in which the warming control means includes first warming control means and second warming control means, the second warming control means warms the heat exchange medium. It can also be a means for controlling the first heating means. If it carries out like this, a part of other laminated body can be heated more rapidly.
[0011]
In the fuel cell system of the present invention including these aspects, the first heating means is means for warming the heat exchange medium by receiving supply of fuel for combustion and burning the fuel. You can also If it carries out like this, calorie | heat amount can be rapidly supplied to a heat exchange medium. In this aspect of the fuel cell system of the present invention, the exhaust supply means capable of supplying exhaust from the first heating means for each of the plurality of stacked bodies, and the first corresponding to the heating by the heating control means. An exhaust control means for controlling the exhaust supply means so as to supply exhaust from the heating means to a part of the plurality of stacked bodies may be provided. If it carries out like this, energy efficiency can be improved further and a laminated body can be heated rapidly.
[0012]
Further, in the fuel cell system of the present invention, when all the heating of the plurality of stacked bodies is completed, the heating for stopping the heating of the heat exchange medium by the first heating means and the second heating means is stopped. A temperature stop means may be provided. In this way, it is possible to prevent the plurality of laminated bodies from being excessively heated.
[0013]
Furthermore, the fuel cell system of the present invention may include a heat exchange medium cooling means capable of cooling the heat exchange medium. If it carries out like this, after a start, a heat exchange medium circulation means can be functioned as a cooling device which can cool a some laminated body. As a result, since heating and cooling of a plurality of laminated bodies can be performed by the same heat exchange medium, the entire system can be made smaller than a system that performs separately.
[0014]
The method for heating a fuel cell according to the present invention is a method for heating a fuel cell having a laminate formed by stacking unit cells, and includes a first heating step for heating a part of the laminate, When heating of some laminates is completed, supply fuel to the some laminates. Power is generated and supplied from the output terminal of the partial laminate And a second heating step for heating at least a part of the other laminates excluding the part of the laminates using electric power.
[0015]
In this method of heating a fuel cell according to the present invention, after heating of some of the stacked bodies is completed, some of the stacked bodies are removed using electric power obtained by supplying fuel to the some of the stacked bodies. By heating at least a part of the other laminate, the entire laminate can be quickly heated.
[0016]
In the fuel cell heating method of the present invention, the first heating step may be a step of heating a part of the stacked body using heat generated by burning the fuel. .
[0017]
Further, in the fuel cell heating method of the present invention, the second heating step uses the heat generated in the partial laminate by supplying fuel to the partial laminate. It may be a step of heating at least a part of the laminate. If it carries out like this, while being able to heat a laminated body more rapidly, the energy efficiency at the time of heating can be improved.
[0018]
Furthermore, in the method for heating a fuel cell according to the present invention, the second heating step is a step of heating at least a part of the other laminate using heat generated by burning the fuel. It can also be. If it carries out like this, a laminated body can be heated more rapidly.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described using examples. FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell system 20 according to an embodiment of the present invention. As illustrated, the fuel cell system 20 of the embodiment includes four fuel cell stacks 22 to 28, a fuel supply device 30 that supplies fuel gas containing hydrogen to the four fuel cell stacks 22 to 28, 4 A heating and cooling device 40 that heats and cools the two fuel cell stacks 22 to 28 and an electronic control unit 80 that controls the entire fuel cell system 20 are provided.
[0020]
Each of the four fuel cell stacks 22 to 28 (hereinafter referred to as the first to fourth fuel cell stacks when individually referred to) is a solid polymer type using a solid polymer membrane having proton conductivity in a wet state as an electrolyte. A plurality of unit cells of a fuel cell are stacked. Each of the fuel cell stacks 22 to 28 includes a fuel gas flow path 33, 35, 37, 39 for supplying the fuel gas supplied from the fuel supply device 30 to the fuel electrode of each unit cell, and an oxidizing gas containing oxygen ( For example, an oxidant gas passage (not shown) for supplying air or the like to the oxygen electrode of each unit cell, and a heat exchange medium as a passage for a heat exchange medium (for example, water or antifreeze liquid) used in the heating and cooling device 40 Channels 53, 55, 57 and 59 are provided. Further, temperature sensors (hereinafter referred to as first to fourth stack temperature sensors) 72 to 78 for detecting the temperatures of the fuel cell stacks are attached to the fuel cell stacks 22 to 28, respectively.
[0021]
The fuel supply device 30 is configured as a fuel generating device such as a reformer that obtains a fuel gas containing hydrogen by steam reforming a hydrocarbon-based fuel such as methanol or methane, a hydrogen tank that stores hydrogen gas, or the like. The fuel gas according to the demand is supplied to each fuel cell stack 22-28. The fuel gas supply pipe 31 from the fuel supply device 30 to the fuel cell stacks 22 to 28 is connected to the fuel gas flow paths 33, 35, 37, 39 of the fuel cell stacks 22 to 28 via branch pipes. At the inlet, solenoid valves (hereinafter referred to as first to fourth fuel valves) 32, 34, 36, 38 for supplying fuel gas to the fuel cell stacks 22 to 28 are attached. It has been.
[0022]
The heating and cooling device 40 is connected to the heat exchange medium flow paths 53, 55, 57, and 59 of the fuel cell stacks 22 to 28, and forms a circulation line, and the circulation formation line 50. A pump 42 that circulates the heat exchange medium, a combustor 44 that heats the heat exchange medium circulated in the circulation line, an electric heater 46 that also heats the heat exchange medium circulated in the circulation line, and circulation formation The heat exchanger 48 attached to the pipe line 50 as a bypass pipe line is provided. An electromagnetic valve (hereinafter referred to as a first to a fourth circulation valve) 52 that circulates a heat exchange medium to each fuel cell stack 22 to 28 is provided at an inlet of each circulation cell 50 to each fuel cell stack 22 to 28. , 54, 56, 58 are attached.
[0023]
The combustor 44 includes a combustion unit 45 that combusts fuel gas, and fuel gas is supplied to the combustion unit 45 from the fuel gas supply pipe 31 via the branch pipe 62. An electromagnetic valve (hereinafter referred to as a combustor fuel valve) 64 for supplying fuel gas is attached to the inlet of the branch pipe 62 to the combustion unit 45. The combustor 44 is provided with a combustor temperature sensor 66 that detects the temperature of the heat exchange medium near the outlet. The combustor fuel valve 64, the combustor temperature sensor 66, and the combustion unit 45 are connected to the electronic control unit 80 by signal lines so that the temperature detected by the combustor temperature sensor 66 by the electronic control unit 80 does not exceed a predetermined temperature. The combustion of the fuel gas by the combustion unit 45 is controlled.
[0024]
FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing an electric system of each fuel cell stack 22 to 28 and the electric heater 46. As shown in the figure, the electric heater 46 includes a heating element (for example, nichrome wire) 46a that generates heat when energized, a switch 47 that controls the energization of the heating element 46a, and the temperature of the heat exchange medium near the outlet of the electric heater 46. An electric heater temperature sensor 67 for detecting is provided, and the heat exchange medium flowing in the circulation forming pipe 50 is heated by energizing the heating element 46a. The switch 47 and the electric heater temperature sensor 67 are connected to the electronic control unit 80 by a signal line, and the switch 47 is turned on and off so that the temperature detected by the electric heater temperature sensor 67 does not exceed a predetermined temperature. To be controlled.
[0025]
Further, as shown in FIG. 2, the power line 92 connected to the electric heater 46 is connected to the output terminals 22a and 22b of the first fuel cell stack 22, and through the relays 94a, 94b, 96a and 96b. Are connected to the output terminals 24a, 24b, 26a, 26b of the second and third fuel cell stacks 24, 26. Therefore, the first to third fuel cell stacks 22 to 26 are connected in parallel by turning on the relays 94a, 94b, 96a, and 96b, and the electric power generated by these fuel cell stacks is supplied to the electric heater 46. It has come to be. The power line 92 is connected to the power line 93 via the relay 98a and the fourth fuel cell stack 28. The power lines 92 and 93 are connected to the output terminals 90a and 90b of the battery 90 via the relays 91a and 91b. It is connected. Further, the fuel cell stacks 22 to 28 are connected to the different polarity terminals of the fuel cell stacks 22 to 28 via relays 94c, 96c, and 98c, and the relays 94a, 94b, 96a, 96b, and 98a are turned off. In this state, the fuel cell stacks 22 to 28 can be connected in series by turning on the relays 94c, 96c, and 98c. If the relays 91a and 91b are further turned on in this state, the battery 90 can be charged using the electric power generated by the fuel cell stacks 22 to 28.
[0026]
Returning to FIG. 1, the heat exchanger 48 is bypass-connected to the circulation forming pipe 50 via a three-way valve (hereinafter referred to as a cooling three-way valve) 60, and the fuel cell stacks 22 to 28 are in steady operation. In this state, the heat exchange medium that is formed in the pipeline and flows to the circulation formation pipeline 50 is cooled by exchanging heat with the outside air. The heat exchanger 48 is provided with a heat exchanger temperature sensor 68 that detects the temperature of the heat exchange medium near the outlet of the heat exchanger 48.
[0027]
FIG. 3 is a block diagram showing an outline of the electrical configuration of the fuel cell system 20 centering on the electronic control unit 80. As shown in the figure, the electronic control unit 80 is configured as a one-chip microprocessor mainly composed of a CPU 82. The ROM 84 stores a processing program, a RAM 86 stores data temporarily, and inputs various signals. And an output processing circuit 89 for outputting various signals. The electronic control unit 80 includes the temperature of the heat exchange medium near the outlet of the combustor 44 from the combustor temperature sensor 66, the temperature of the heat exchange medium near the outlet of the electric heater 46 from the electric heater temperature sensor 67, and heat exchange. The temperature of the heat exchange medium near the outlet of the heat exchanger 48 from the temperature sensor 68, the temperatures T1 to T4 of the fuel cell stacks 22 to 28 from the first to fourth stack temperature sensors 72 to 78, and the like are input processing circuits. 88 is input. Further, from the electronic control unit 80, a drive signal to the pump 42, an ignition signal to the combustion unit 45, a drive signal to the combustor fuel valve 64, a drive signal to the electric heater 46, and a drive signal to the cooling three-way valve 60. , Drive signals to the first to fourth fuel valves 32, 34, 36, 38, drive signals to the first to fourth circulation valves 52, 54, 56, 58, relays 91a, 91b, 94a, 94b, 94c. , 96a, 96b, 96c, 98a, 98c, and the like are output via an output processing circuit 89.
[0028]
Next, the operation of the fuel cell system 20 of the embodiment configured as described above, particularly the operation of heating the fuel cell stacks 22 to 28 when starting the fuel cell system 20 will be described. FIG. 4 is a flowchart showing an example of a heating process routine executed by the electronic control unit 80. This routine is executed when the temperature of each of the fuel cell stacks 22 to 28 is equal to or lower than a predetermined temperature (for example, 0 ° C. or lower) when the fuel cell system 20 of the embodiment is started.
[0029]
When the heating process routine of FIG. 4 is executed, the CPU 82 first executes a process of forming the first circulation conduit 50a for heating the first fuel cell stack 22 (step S100). The first circulation pipe 50a is formed by outputting a drive signal from the electronic control unit 80 to the first to fourth circulation valves 52, 54, 56, 58 to open the first circulation valve 52 and the second to fourth. The circulation valves 54, 56, and 58 are closed, and a drive signal is output to the cooling three-way valve 60 to form a conduit so that the heat exchange medium does not pass through the heat exchanger 48. FIG. 5 is an explanatory view showing a state in which the first circulation conduit 50a is thus formed and the first fuel cell stack 22 is thereby heated. In addition, in order to make the 1st circulation pipe line 50a easy to understand, illustration of pipe lines, such as the 2nd fuel cell stack 24 which does not comprise the 1st circulation pipe line 50a, is abbreviate | omitted.
[0030]
Next, the pump 42 is driven to circulate the heat exchange medium through the first circulation line 50a (step S102), and the heat exchange medium is heated by the combustor 44 (step S104). Specifically, the heating by the combustor 44 is performed by outputting a drive signal from the electronic control unit 80 to the combustor fuel valve 64 to open the combustor fuel valve 64 and outputting an ignition signal to the combustor 45. This is performed by burning the fuel gas supplied to the unit 45.
[0031]
Subsequently, the temperature T1 of the first fuel cell stack 22 detected by the first stack temperature sensor 72 is read (step S106), and a process of waiting for the read temperature T1 to become higher than the threshold value Tr is executed (step S108). . Here, the threshold value Tr is considered to be a temperature slightly higher than the lowest startable temperature of the first fuel cell stack 22 in the embodiment, for example, a state where water frozen in the first fuel cell stack 22 is completely thawed. Temperature (for example, 5 ° C.). In the state where the first circulation pipe 50a is formed and heated by the combustor 44, the fuel cell stacks 22 to 28 are stopped, so the first to fourth fuel valves 32, 34, 36, 38 is closed.
[0032]
When the temperature T1 of the first fuel cell stack 22 becomes higher than the threshold value Tr, the CPU 82 executes a process for forming the second circulation conduit 50b (step S110). The formation of the second circulation line 50b is performed by outputting a drive signal from the electronic control unit 80 to the second circulation valve 54 in the state of the first circulation line 50a to open the second circulation valve 54. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state in which the second fuel cell stack 24 is heated by operating the first fuel cell stack 22 while forming the second circulation conduit 50b. As shown in the drawing, the second circulation line 50b is formed as a circulation line in which the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are connected in parallel. Subsequently, the CPU 82 starts the first fuel cell stack 22 (step S112) and executes a process of driving the electric heater 46 (step S114). The first fuel cell stack 22 is started by opening the first fuel valve 32 in order to supply fuel gas to the fuel gas flow path 33 of the first fuel cell stack 22 and oxidizing the first fuel cell stack 22 (not shown). This is performed by supplying an oxidizing gas to the gas flow path. The electric heater 46 is driven by turning on the electric heater 46 and the switch 47 with all of the relays 94a, 94b, 94c turned off. In this circuit configuration, the electric power generated by the first fuel cell stack 22 is supplied to the electric heater 46. Therefore, the heat exchange medium circulating through the second circulation pipe 50 b is heated by the combustor 44 and the electric heater 46. In general, since the fuel cell generates heat with power generation, the first fuel cell stack 22 also heats the heat exchange medium with heat generated by power generation. Therefore, the second fuel cell stack 24 is heated by the combustor 44, the electric heater 46, and the first fuel cell stack 22.
[0033]
Next, the CPU 82 sets a value 2 to the counter C (step S116), reads the temperature TC of the fuel cell stack corresponding to the value of the counter C (step S118), and waits for the temperature TC to become higher than the threshold value Tr. Processing is executed (step S120). As will be described later, this process (steps S118 and S120) and subsequent processes in steps S122 to S128 are performed for all the fuel cell stacks, and when the temperature of the last fuel cell stack becomes higher than the threshold value Tr, the step is performed. The process proceeds to S130 and subsequent steps. Assuming that the value of 2 is set in the counter C, the processing in steps S118 and S120 reads the temperature T2 of the second fuel cell stack 24 from the second stack temperature sensor 74, and this temperature T2 is a threshold value. The process waits for the value to exceed Tr.
[0034]
When the temperature TC exceeds the threshold value Tr, the fuel cell stack corresponding to the value of the counter C is started (step S122), and the counter C is compared with the value 4 (step S124). Considering the case where the counter C has a value of 2, this process is a process for starting the second fuel cell stack 24 and determining that the counter C is not equal to the value 4. In order to start the second fuel cell stack 24, the second fuel valve 34 is opened to supply the fuel gas to the fuel gas flow path 35 of the second fuel cell stack 24, and the second fuel cell stack 24 is illustrated. This is done by supplying an oxidizing gas to the oxidizing gas flow path. The start of the fuel cell stack is further simultaneously connected to the electric heater 46 of the started fuel cell stack. That is, when the counter C has a value of 2, in order to connect the second fuel cell stack 24 to the electric heater 46 in parallel with the first fuel cell stack 22, the relays 96a, 96b, 96c are turned off. The relays 94a and 96b are turned on. Note that the relay 94c remains off. By connecting in this way, the electric power generated by the first fuel cell stack 22 and the electric power generated by the second fuel cell stack 24 are supplied to the electric heater 46.
[0035]
Now, considering that the counter C has a value of 2, it is determined that the counter C is not equal to the value 4 in the process of step S124, the counter C is incremented (step S126), and corresponds to the value of the counter C. Processing for forming a circulation line is executed (step S128), and the process returns to step S118. Considering when the counter C has a value of 2, the counter C is incremented to a value of 3, and the third circulation valve 56 is opened in the state of the second circulation line 50b to take the third fuel cell stack 26 into the circulation line. It is. As a result, the third fuel cell stack 26 is configured to heat the heat exchange medium by the combustor 44 and the heat exchange medium by the electric heater 46 using the electric power generated by the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24. And the heating of the heat exchange medium by the heat generated with the power generation of the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24. It can be easily understood that the relationship of such heating is determined by the value of the counter C. In step S124, the counter C is compared with the value 4. This is because the fuel cell system 20 of the embodiment includes the four fuel cell stacks 22 to 28. The value to be compared is divided. This corresponds to the number of fuel cell stacks formed.
[0036]
When the third fuel cell stack 26 and the fourth fuel cell stack 28 are thus heated, it is determined that the heating of the fuel cell stack has been completed, the electric heater 46 is stopped (step S130), and the combustor 44 is also turned on. Stopped (step S132), a process for forming a circulation pipe for cooling the fuel cell stacks 22 to 28 is executed (step S134), and this routine is terminated. Here, the stopping process of the electric heater 46 includes not only a process of turning off the switch 47 but also a process of connecting the fuel cell stacks 22 to 28 in series and connecting them to the battery 90. Specifically, the relays 94a, 94b, 96a, 96b, 98a are turned off, the relays 94c, 96c, 98c are turned on, and the relays 91a, 91b are turned on. As a result, the battery 90 is charged with the electric power generated by the started fuel cell stacks 22 to 28. The cooling circulation line is formed by outputting a drive signal from the electronic control unit 80 to the cooling three-way valve 60 so that the heat exchange medium flows through the heat exchanger 48.
[0037]
FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing how the fuel cell stacks 22 to 28 of the fuel cell system 20 of the embodiment are heated. The arrows in the figure indicate that the power generated by the power generation of the fuel cell stack at the beginning of the arrow and the heat accompanying power generation are used for heating the fuel cell stack at the end of the arrow. As shown in the figure, at time t1, the temperature T1 of the first fuel cell stack 22 becomes larger than the threshold value Tr, the heating of the first fuel cell stack 22 is completed, and the second circulation pipe 50b is formed to form the second fuel. Heating of the battery stack 24 is started. Similarly, at times t2 and t3, the heating of the second fuel cell stack 24 and the third fuel cell stack 26 is completed, and the heating of the third fuel cell stack 26 and the fourth fuel cell stack 28 is started. At time te, the heating of the fourth fuel cell stack 28 is also completed, and charging of the battery 90 by each of the fuel cell stacks 22 to 28 is started.
[0038]
FIG. 8 is an explanatory view schematically showing how each fuel cell stack is heated by the fuel cell system 20 of the embodiment and the fuel cell system of the conventional example. Here, the fuel cell system of the conventional example is a system that simultaneously heats the fuel cell stacks 22 to 28 by heating by the combustor 44. As shown in the figure, the fuel cell system 20 of the embodiment can heat all the fuel cell stacks to a threshold value Tr or higher, which is a target temperature, in a shorter time than the conventional fuel cell system. The conventional fuel cell system can be increased in scale in order to finish heating in a short time in the same manner as the fuel cell system 20 of the embodiment. As the size of the device increases, the energy efficiency also decreases dramatically.
[0039]
According to the fuel cell system 20 of the embodiment described above, the four fuel cell stacks 22 to 28 can be sequentially heated. As a result, since the combustor 44 can be made small, the system can be miniaturized. Moreover, since the electric heater 46 is driven by the electric power generated by the fuel cell stack that has been heated, and the fuel cell stack that has not been heated is heated, the energy efficiency during heating can be increased. And can be heated quickly. Furthermore, since the fuel cell stack that has not been heated is also heated using the heat associated with the power generation of the fuel cell stack that has been heated, energy efficiency during heating can be further increased and more Heating can be completed quickly.
[0040]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the exhaust gas combusted in the combustion unit 45 of the combustor 44 is open to the atmosphere, and this exhaust gas is introduced into the fuel gas channel and the oxidizing gas channel of the fuel cell stack. The heating of the fuel cell stack can be further promoted. An outline of the configuration of the fuel cell system 20B of this modification is illustrated in FIG. As illustrated, the fuel cell system 20B according to the modification includes an exhaust gas pipe 100 that introduces the exhaust gas of the combustion unit 45 of the combustor 44 into the oxidizing gas flow paths of the fuel cell stacks 22 to 28. The exhaust gas pipe 100 includes a three-way valve 102 for releasing the exhaust gas to the atmosphere, and first to fourth exhaust gas valves 112 to 118 configured as electromagnetic valves for supplying the exhaust gas to the fuel cell stacks 22 to 28. Is provided. In the fuel cell system 20B of this modification, when each fuel cell stack is heated, the exhaust gas flows through the oxidizing gas flow path of the fuel cell stack that is heated by opening the corresponding exhaust gas valve. ing. According to the fuel cell system 20B of this modified example, since the fuel cell stack is heated also using the heat of the exhaust gas, the fuel cell stack can be heated more quickly and the energy efficiency can be improved. .
[0041]
In the fuel cell system 20 of the embodiment, the fuel cell stacks 22 to 28 are sequentially heated, but after the first fuel cell stack 22 is heated, the remaining three fuel cell stacks 24 to 28 are simultaneously heated. It may be a thing. The heating process routine in this case is illustrated in FIG. The processing of steps S200 to S208 and the processing of steps S230 to S234 of this heating processing routine are the same as the processing of steps S100 to S108 and the processing of steps S130 to S134 of the heating processing routine illustrated in FIG. Description of the same processing is omitted, and the remaining three fuel cell stacks 24 to 28 are heated simultaneously after heating the first fuel cell stack 22 based on the heating processing routine of FIG. Processing will be described.
[0042]
When the temperature T1 of the first fuel cell stack 22 becomes higher than the threshold value Tr (steps S206 and S208), a process for forming a heating circulation line 50d that configures all the fuel cell stacks 22 to 28 as circulation lines is executed. (Step S210). Specifically, the warming circulation line 50d is formed by opening the second to fourth circulation valves 54, 56, and 58 from the state of the first circulation line 50a shown in FIG. Then, the first fuel cell stack 22 is started (step S212), and the electric heater 46 is driven (step S214). FIG. 11 illustrates a state in which the second to fourth fuel cell stacks 24 to 28 are heated by the heating circulation line 50d. As shown in the figure, fuel gas is supplied to the first fuel cell stack 22. Therefore, the second to fourth fuel cell stacks 24 to 28 are heated by the combustor 44, heated by the electric heater 46 using the electric power generated by the first fuel cell stack 22, and the first fuel cell stack 22. It is heated by the heat generated by the power generation.
[0043]
Then, the temperature T3 of the third fuel cell stack 26 is read (step S218), and when the read temperature T3 becomes larger than the threshold value Tr (step S220), the heating of the second to fourth fuel cell stacks 24 to 28 is performed. Is started, the second to fourth fuel cell stacks 24 to 28 are started (step S222), the electric heater 46 and the combustor 44 are stopped (steps S230 and S232), and each fuel cell stack 22 is started. A circulation line for cooling -28 is formed (step S234), and this routine is terminated. FIG. 12 schematically shows how the first three fuel cell stacks 22 to 28 are heated simultaneously after the first fuel cell stack 22 is heated.
[0044]
As described above, according to the fuel cell system 20 that executes the heating processing routine of the modified example, after the first fuel cell stack 22 is heated, the remaining three fuel cell stacks 24 to 28 are simultaneously heated. Can do. In the case of this configuration, since only the electric power generated by the first fuel cell stack 22 is supplied to the electric heater 46, the electric heater 46 can be reduced in capacity. Further, since it is sufficient that only the output terminal of the first fuel cell stack 22 can be connected to the terminal of the electric heater 46, the connection between each fuel cell stack 22 to 28 and the battery 90 in the electric system illustrated in FIG. The connection with can be simplified.
[0045]
In the fuel cell system 20 that executes the heating processing routine of this modification, the end of heating of the second to fourth fuel cell stacks 24 to 28 is determined based on the temperature T3 of the third fuel cell stack 26. The determination may be made based on the temperature T2 of the fuel cell stack 24 or the temperature T4 of the fourth fuel cell stack 28.
[0046]
In the fuel cell system 20 that executes the warming process routine of the embodiment and the warming process routine of the modified example, the first fuel cell stack 22 is first heated, but the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are heated. And the third fuel cell stack 26 and the fourth fuel cell stack 28 may be heated thereafter. The heating process routine in this case is illustrated in FIG. In this routine, the CPU 82 first forms a first heating circulation pipe 50e for heating the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 (step S300), and the pump 42, the combustor 44, and the like. To start heating (steps S302 and S304). The formation of the first warming circulation line 50e is performed by opening the first circulation valve 52 and the second circulation valve 54 and closing the third circulation valve 56 and the fourth circulation valve 58. FIG. 14 illustrates a state in which the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are heated by the first heating circulation pipe 50e.
[0047]
Then, after waiting for the temperature T1 of the first fuel cell stack 22 to become higher than the threshold value Tr (steps S306 and S308), the second heating for heating the third fuel cell stack 26 and the fourth fuel cell stack 28 is performed. A hot circulation line 50f is formed (step S310), the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are started (step S312), and heating by the electric heater 46 is started (step S314). The formation of the second warming circulation line 50f is performed by opening the third circulation valve 56 and the fourth circulation valve 58 from the state of the first warming circulation line 50e. FIG. 15 shows how the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are operated and the third fuel cell stack 26 and the fourth fuel cell stack 28 are heated by the second heating circulation line 50f. This is illustrated in Then, the CPU 82 waits for the temperature T3 of the third fuel cell stack 26 to become higher than the threshold value Tr (steps S318 and S320), and starts the third fuel cell stack 26 and the fourth fuel cell stack 28 ( Step S322), the electric heater 46 and the combustor 44 are stopped (Steps S330 and S332), a circulation line for cooling the fuel cell stacks 22 to 28 is formed (Step S334), and this routine is finished. To do. FIG. 16 schematically shows a state in which the first two fuel cell stacks 22 and the second fuel cell stack 24 are simultaneously heated and the remaining two fuel cell stacks 26 and 28 are simultaneously heated.
[0048]
As described above, according to the fuel cell system 20 that executes the heating processing routine according to the modified example, after the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are heated, the remaining two fuel cell stacks 26 are heated. , 28 can be heated simultaneously. In the case of this configuration, the electric heater 46 is supplied with the electric power generated by the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24, so that the capacity of the electric heater 46 corresponds to that. Further, since the output terminals of the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 may be connected to the terminals of the electric heater 46, the fuel cell stacks 22 to 28 and the battery 90 in the electric system illustrated in FIG. And the connection with the electric heater 46 can be simplified.
[0049]
In addition, as a method for heating the four fuel cell stacks 22 to 28, the first fuel cell stack 22 is first heated, the second fuel cell stack 24 is then heated, and then the third fuel cell stack is heated. 26 and the fourth fuel cell stack 28 may be heated at the same time.
[0050]
In the fuel cell system 20 of the embodiment and its modifications, the threshold value Tr is set as a temperature slightly higher than the lowest temperature at which the fuel cell stack can be started, but the threshold value Tr is set as a temperature slightly lower than the steady operation temperature of the fuel cell stack. Or may be set as an operating temperature at which a predetermined output can be obtained.
[0051]
In the fuel cell system 20 of the embodiment and its modifications, the fuel gas supplied to the fuel cell stacks 22 to 28 is supplied as the fuel of the combustor 44. However, a different fuel may be supplied. Moreover, it is good also as what replaces the combustor 44 and heats a heat exchange medium with electricity.
[0052]
In the fuel cell system 20 of the embodiment and its modifications, the four fuel cell stacks 22 to 28 are provided. However, the fuel cell system 20 includes two fuel cell stacks, three fuel cell stacks, or five or more fuel cell stacks. It is good. In that case, one or more of the plurality of fuel cell stacks are heated, and then the remaining fuel cell stacks are used with the electric power generated by the heated fuel cell stacks. As long as a part or all is heated, it is good also as what heats by what kind of combination.
[0053]
In the fuel cell system 20 of the embodiment and its modifications, the four fuel cell stacks 22 to 28 are configured as solid polymer fuel cells, but may be configured as other types of fuel cells such as phosphoric acid fuel cells. Good.
[0054]
The embodiments of the present invention have been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course you get.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell system 20 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view schematically showing an electric system of each fuel cell stack 22 to 28 and an electric heater 46. FIG.
FIG. 3 is a block diagram showing an outline of an electrical configuration of the fuel cell system 20 with an electronic control unit 80 as the center.
4 is a flowchart showing an example of a heating processing routine executed by the electronic control unit 80. FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining a state in which the first fuel cell stack 22 is heated by the first circulation conduit 50a.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state in which the first fuel cell stack 22 is operated and the second fuel cell stack 24 is heated by the second circulation line 50b.
FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing how the fuel cell stacks 22 to 28 of the fuel cell system 20 of the embodiment are heated.
FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing how each fuel cell stack is heated by the fuel cell system 20 of the example and the fuel cell system of the conventional example.
FIG. 9 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell system 20B of a modified example.
FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of a heating process routine according to a modification executed by the electronic control unit.
FIG. 11 is an explanatory view showing a state in which the second to fourth fuel cell stacks 24 to 28 are heated by the heating circulation pipe 50d.
FIG. 12 is an explanatory diagram schematically showing how the fuel cell stacks 22 to 28 of the fuel cell system 20 are heated by a heating processing routine of a modified example.
13 is a flowchart illustrating an example of a heating processing routine according to a modification executed by the electronic control unit 80. FIG.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a state in which the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are heated by the first heating circulation conduit 50e.
15 shows the operation of the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 to heat the third fuel cell stack 26 and the fourth fuel cell stack 28 through the second heating circulation line 50f. It is explanatory drawing which shows a mode that it is.
FIG. 16 is an explanatory view schematically showing a state in which the first two fuel cell stacks 22 and 28 are simultaneously heated after the first fuel cell stack 22 and the second fuel cell stack 24 are simultaneously heated.
[Explanation of symbols]
20, 20B Fuel cell system, 22-28 Fuel cell stack, 22a, 22b, 24a, 24b, 26a, 26b, 28a, 28b Output terminal, 30 Fuel supply device, 32, 34, 36, 38 Fuel valve, 33, 35 , 37, 39 Fuel gas flow path, 40 Heating / cooling device, 42 Pump, 44 Combustor, 45 Combustion part, 46 Electric heater, 46a Heating element, 47 Switch, 48 Heat exchanger, 50 Circulation forming line, 52, 54, 56, 58 Circulation valve, 53, 55, 57, 59 Heat exchange medium flow path, 60 Cooling three-way valve, 62 Branch pipe, 64 Combustor fuel valve, 66 Combustor temperature sensor, 68 Heat exchanger temperature sensor, 72 74, 76, 78 Stack temperature sensor, 80 Electronic control unit, 82 CPU, 84 ROM, 86 RAM, 88 input processing circuit, 89 output processing times , 90 battery, 90a, 90b output terminal, 91a, 91b relay, 92, 93 power line, 94a, 94b, 94c, 96a, 96b, 96c, 98a, 98c relay, 100 exhaust pipe, 102 three-way valve, 112, 114, 116,118 Exhaust gas valve.

Claims

A fuel cell system having a plurality of laminates formed by laminating unit cells,
A heat exchange medium circulation means capable of circulating a heat exchange medium for each of the plurality of laminates;
First heating means capable of heating the heat exchange medium;
Fuel supply means capable of supplying fuel to each of the plurality of stacked bodies;
A second heating means capable of heating the heat exchange medium using electric power generated by the plurality of laminates;
When predetermined instructions are given, heat generated by power generation in the some laminates after heating some of the laminates and heat generated using the power supplied from the some laminates pressurized heat exchange medium circulation path formed by the heat exchange medium circulating means so as to heat the other stack by temperature thermal exchange medium, warming of the heat exchange medium by the first heating means, the fuel supplied by the A fuel cell system comprising: fuel supply to the stack by means , and heating control means for controlling heating of the heat exchange medium by the second heating means.

The fuel cell system according to claim 1, wherein
Comprising temperature detecting means for detecting the temperature of the plurality of laminates,
The heating control means includes
A first heating control for controlling the heat exchange medium circulation means so that the heat exchange medium circulates in a part of the plurality of stacked bodies and for controlling the first heating means to heat the heat exchange medium. Means,
When the temperature of a part of the plurality of laminated bodies detected by the temperature detecting means reaches a predetermined temperature, the fuel supply means is controlled to supply fuel to the part of the laminated bodies, and the part The heat exchange medium circulation means is controlled so that the heat exchange medium circulates in at least a part of the other laminates excluding the laminate, and the heat exchange medium is generated using the electric power generated by the some laminates. And a second heating control means for controlling the second heating means so as to heat the fuel cell system.

The second heating control means is means for controlling the heat exchange medium circulation means so that the heat exchange medium circulates in at least a part of the other laminated body through the partial laminated body. 3. The fuel cell system according to 2.

4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the second heating control unit is a unit that controls the first heating unit to heat the heat exchange medium. 5.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the first heating means is means for heating the heat exchange medium by receiving supply of fuel for combustion and burning the fuel.

The fuel cell system according to claim 5, wherein
Exhaust supply means capable of supplying exhaust gas from the first heating means for each of the plurality of laminated bodies, and exhaust gas from the first heating means corresponding to the heating by the heating control means. An exhaust control means for controlling the exhaust supply means to supply a part of the fuel cell system.

The heating stop means for stopping the heating of the heat exchange medium by the first heating means and the second heating means when all the heating of the plurality of laminates is completed. Any one of the fuel cell systems.

The fuel cell system according to claim 1, further comprising a heat exchange medium cooling unit capable of cooling the heat exchange medium.

A method of heating a fuel cell having a laminate formed by laminating unit cells,
A first heating step for heating a part of the laminate;
When heating of the partial laminate is completed, fuel is supplied to the partial laminate to generate electric power, and the partial laminate is generated using electric power supplied from an output terminal of the partial laminate. A heating method for a fuel cell, comprising: a second heating step for heating at least a part of the other stacked body excluding the body.

The method for heating a fuel cell according to claim 9, wherein the first heating step is a step of heating a part of the stacked body using heat generated by burning the fuel.

The second heating step is a step of heating at least a part of the other laminated body using heat generated by the partial laminated body by supplying fuel to the partial laminated body. The method for heating a fuel cell according to claim 9 or 10.

The heating of the fuel cell according to any one of claims 9 to 11, wherein the second heating step is a step of heating at least a part of the other stacked body using heat generated by burning the fuel. Method.