JP4575766B2

JP4575766B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4575766B2
Application number: JP2004370404A
Authority: JP
Inventors: 貴寛栗岩; 宏和 ▲桑▼原; 亮史竹縄
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: JP2006179257A

Description

本発明は、水素吸蔵合金に水素ガスを吸蔵する際に発生する熱を利用して燃料電池の暖機を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；ＦｕｅｌＣｅｌｌＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）では、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池が一般に使用されている。また、この種の燃料電池では、温度が低いと発電性能が低下するため、冬季や寒冷地などで燃料電池電気自動車を使用する場合には、走行開始前に燃料電池を暖機する必要がある。この暖機手段としては、例えば、電気ヒータで燃料電池の外部から加熱して暖機したり、燃料として使用される水素ガスを燃焼させたときの燃焼熱で燃料電池を冷却する冷却媒体を加熱して暖機が行われていた。しかし、電気ヒータではバッテリが過度に消耗するおそれがあり、燃焼熱の利用では燃料を無駄に消費することになる。

そこで、他の暖機手段として、水素吸蔵合金を利用した技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、水素吸蔵合金タンク（ＭＨタンク）を設けて、ＭＨタンクに水素ガスを吸蔵させたときに発生する熱を利用して燃料電池を暖機し、暖機後は、ＭＨタンク内の水素ガスを燃料電池に戻すようにしている。
特開２００２−２２２６５８号公報（段落００３６〜００４４、図５）

しかしながら、前記特許文献１に記載の暖機手段を搭載した燃料電池システムでは、ＭＨタンク内から水素残量の検出が、ＭＨタンクに貯蔵した水素量と、ＭＨタンクから放出した水素量との差を算出することにより行われていたため、誤差が発生し易かった。その結果、水素ガスの吸蔵と放出を繰り返すことで積算誤差が発生して水素残量の誤差が拡大して、水素残量の検出精度が損なわれるという問題があった。また、残量検知システムとしても、水素流量計を用いる方法では装置構成が簡便とは言い難い。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、簡便な装置構成で、ＭＨタンク内の水素残量の検出精度を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、水素ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、前記水素ガスを吸蔵および放出する水素吸蔵合金を内蔵したＭＨタンクとを有し、前記ＭＨタンクに前記水素ガスを吸蔵させる際に発生する熱で前記燃料電池を暖機するとともに、前記暖機終了後に前記ＭＨタンクに吸蔵した前記水素ガスを放出する燃料電池システムであって、前記水素ガスの放出時に前記ＭＨタンクの内圧が第１所定圧以下となった段階で一旦前記水素ガスの放出を停止し、前記停止後、所定時間内に前記内圧が前記第１所定圧よりも高い第２所定圧に回復した場合に、前記内圧が前記第１所定圧以下になるまで前記水素ガスの放出と停止を繰り返して、前記内圧が前記所定時間内に前記第２所定圧に回復しない場合に放出終了となるように制御することを特徴とする。

前記本発明によれば、水素ガスの放出と停止を繰り返しながらＭＨタンク内の圧力がほぼ一定となったときに放出終了とすることにより、水素残量を正確に検出することが可能になる。

さらに、前記燃料電池の発電時に発生する熱によって、前記燃料電池を冷却する冷却媒体を加熱することで前記ＭＨタンクを加熱するＭＨタンク加熱手段と、前記燃料電池と前記ＭＨタンクとの間に設けられ、前記ＭＨタンクに流入する前記冷却媒体の温度を測定する温度センサと、を備え、前記内圧が前記所定時間内に前記第２所定圧に回復しない場合に放出終了とせず、前記冷却媒体の温度を測定して、前記冷却媒体の温度が所定温度を超えた場合に放出終了となるように制御する構成を追加してもよい。

この構成によれば、水素吸蔵合金を加熱する冷却媒体の温度が低いとＭＨタンクからの水素ガスが十分に放出されない可能性があるため、冷却媒体の温度が所定温度を超えたことを確認した後で放出終了するように制御することで、水素残量の精度をさらに高めることができる。

本発明によれば、ＭＨタンク内の水素残量を高精度に検出できるため、水素ガスの吸蔵と放出を繰り返したとしても積算誤差が拡大することがない。その結果、ＭＨタンクに吸蔵した水素ガスを有効に利用することが可能になる。しかも、ＭＨタンクの水素残量検出のための装置構成を簡便にできる。

図１は、本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。以下では、燃料電池電気自動車を例に挙げて説明するが、燃料電池電気自動車に限定されるものではない。
この燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、水素供給手段１０と、空気供給手段２０と、冷却手段３０と、暖機手段４０と、制御装置（ＥＣＵ）５０とを備えている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質膜をアノード極とカソード極とで挟み、さらにその外側を一対のセパレータで挟んで構成された単セルを複数積層した構造を有している。

前記水素供給手段１０は、燃料電池ＦＣに水素を供給するものであり、燃料電池ＦＣの上流側に、電磁作動の遮断弁１２を備えた水素タンク１１、１次レギュレータ１３、２次レギュレータ１４、エゼクタ１５などを備え、燃料電池ＦＣの下流側に、パージ弁１６などを備えている。

前記水素タンク１１は、高純度の水素ガスが非常に高い圧力で充填されたタンクである。前記１次レギュレータ１３は、水素タンク１１から供給される水素ガスの圧力を減圧する減圧弁である。前記２次レギュレータ１４は、１次レギュレータ１３で減圧された水素ガスの圧力をさらに減圧する減圧弁である。これにより、水素タンク１１と１次レギュレータ１３との間が高圧水素ラインＬ１（例えば、約３５ＭＰａ）となり、１次レギュレータ１３と２次レギュレータ１４との間が中圧水素ラインＬ２（例えば、約１ＭＰａ）となり、２次レギュレータ１４と燃料電池ＦＣとの間が低圧水素ラインＬ３（例えば、約０．３ＭＰａ）となっている。

前記エゼクタ１５は、燃料電池ＦＣから排出された未使用の水素ガスを吸引して、再び燃料電池ＦＣのアノード極に供給するためのポンプである。前記パージ弁１６は、アノード極側にカソード極から電解質膜を介して移動した空気中に含まれる窒素などの不純物や反応によって生成された水を水素ガスとともに排出して発電効率が低下するのを防止するためのバルブである。

前記空気供給手段２０は、燃料電池ＦＣに酸化剤ガスとしての空気を供給するものであり、コンプレッサ２１や図示しないインタークーラ、加湿器などで構成されている。コンプレッサ２１は、機械式過給器であり、車外からエアフィルタ（図示せず）を介して取り込んだ空気を圧縮する。インタークーラは、コンプレッサ２１から供給された高温高圧の空気を所定の温度に冷却し、加湿器は、冷却された空気を燃料電池ＦＣでの反応に適した所定の湿度に加湿する。

前記冷却手段３０は、前記燃料電池ＦＣが発電に伴って発生した熱を大気中に放出するもので、冷却配管３１、ラジエタ３２、循環ポンプ３３などで構成されている。冷却配管３１は、その各端部が燃料電池ＦＣの図示しない前記セパレータに設けられた冷却路の入口および出口と連通しており、循環ポンプ３３に設けられたモータを駆動することにより、冷却媒体Ｃが冷却配管３１内および燃料電池ＦＣ内を図中矢印方向に循環するようになっている。

前記暖機手段４０は、燃料電池システム１を低温環境下で起動させる際に燃料電池ＦＣを暖機するものであり、水素吸蔵合金（以下「ＭＨ（＝ＭｅｔａｌＨｙｄｒｉｄｅ）」という）タンク４１、ＭＨ用配管４２、ＭＨ用遮断弁４３を備えている。なお、本実施形態では、燃料電池ＦＣを冷却する際の冷却媒体Ｃが、燃料電池ＦＣを暖機する際の媒体として利用されるように構成されている。ただし、これに限定されるものではなく、冷却用の媒体と暖機用の媒体とが全く別系統で構成されていてもよい。

前記ＭＨタンク４１は、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム合金製であり、その内部に水素吸蔵合金が充填されている。ＭＨタンク４１内の水素吸蔵合金は、水素ガスを吸蔵することにより熱が発生し、外部から加熱（ＭＨが吸熱）されることにより吸蔵した水素ガスを放出できる特性を有している。また、図示していないが、ＭＨタンク４１には、例えば、その周面に接するように前記冷却手段３０の冷却配管３１が設けられて、ＭＨタンク４１から発生した熱が冷却配管３１を介して冷却媒体Ｃに伝達されるようになっている。

前記ＭＨ用配管４２は、ＭＨ用遮断弁４３を有し、一端が前記中圧水素ラインＬ２と接続され、他端がＭＨタンク４１と接続されている。また、ＭＨタンク４１には、その内圧を測定するための圧力センサＳ１が設けられている。

本実施形態の暖機手段４０では、前記ラジエタ３２をバイパスするバイパス配管４４が設けられて、冷却手段３０の冷却媒体Ｃを共用するようになっている。また、バイパス配管４４の入口には、三方弁４５が設けられ、この三方弁４５の切替によって冷却媒体Ｃの流路が、バイパス配管４４とラジエタ３２のいずれか一方に切り替えられるようになっている。また、冷却配管３１上には、燃料電池ＦＣとＭＨタンク４１との間に、ＭＨタンク４１に流入する冷却媒体Ｃの温度Ｔを測定するための温度センサＳ２が設けられている。

前記制御装置５０は、遮断弁１２、パージ弁１６およびＭＨ用遮断弁４３の開閉動作を制御し、また、圧力センサＳ１からＭＨタンク４１内の圧力Ｐ、および温度センサＳ２から冷却媒体Ｃの温度Ｔを取得する。また、制御装置５０は、燃料電池ＦＣと接続される走行モータや補機類などの外部負荷（図示せず）に供給する電力量を制御している。

次に、本実施形態の燃料電池システム１での水素放出時の動作について図３を参照して説明する。なお、以下では、各ステップを「Ｓ」と略記して説明する。
まず、水素ガス放出時の動作を説明する前に、水素吸蔵時の動作について説明する。冬季や寒冷地などの低温環境下での使用において、車両のイグニッションスイッチをオンにしたときに、暖機が必要であると判断した場合には、暖機モードに移行して、ＭＨ用遮断弁４３を開く。このとき、暖機前のＭＨタンク４１の内圧が前記高圧水素ラインＬ１ないし低圧水素ラインＬ３の各内圧よりも低い約０．１ＭＰａに設定されているので、制御装置５０の制御により遮断弁１２が開かれることにより、水素タンク１１内の水素ガスがＭＨタンク４１側に送られる。ＭＨタンク４１が水素ガスを吸蔵すると、発熱反応によって熱を発生して冷却媒体Ｃが加熱される。加熱された冷却媒体Ｃは、循環ポンプ３３の吸引力によって燃料電池ＦＣに送られて、燃料電池ＦＣを暖機する。制御装置５０では、冷却媒体Ｃの温度が、予め設定された加熱終了温度に至ったと判断したときに、ＭＨ用遮断弁４３を閉じてＭＨタンク４１への水素ガスの供給を停止する。

また、前記のようにして燃料電池ＦＣの暖機が終了すると、ＭＨ用遮断弁４３が閉じられて、水素タンク１１から燃料電池ＦＣのアノード極に水素ガスが、カソード極に空気がそれぞれ供給されるので、燃料電池ＦＣにおいて水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が開始される。

ＭＨタンク４１に吸蔵された水素ガスを放出する水素放出モードに移行した場合には、図３に示すように、Ｓ１００において、ＭＨタンク４１で燃料電池ＦＣを暖機したか否かを判断する。なお、ＭＨタンク４１に貯蔵した水素ガスの放出を開始するタイミングとしては、例えば、燃料電池ＦＣが通常発電可能な０℃に至ったときである。ＭＨタンク４１を使って暖機していない場合には（Ｎｏ）、ＭＨタンク４１内には水素ガスが残留していないと判断できるので、水素ガスの放出処理に移行せず終了する（Ｓ１０６）。また、燃料電池ＦＣの運転により冷却媒体Ｃの温度が所定温度以上(例えば、６０℃以上)に達したときに三方弁４５を切り替えて、冷却媒体Ｃがラジエタ３２側に流れるようにする。

Ｓ１００において、ＭＨタンク４１で暖機した場合には（Ｙｅｓ）、ＭＨタンク４１内には水素ガスが蓄積されているので、ＭＨ用遮断弁４３を開き、ＭＨタンク４１から水素ガスの放出を開始する（Ｓ１０１）。このとき、燃料電池ＦＣの発電時に発生する熱で冷却媒体Ｃが加熱されるので、ＭＨタンク４１が加熱されることになる。これによりＭＨタンク４１内の水素吸蔵合金が加熱されるので、ＭＨタンク４１内の水素ガスがＭＨ用配管４２を通って燃料電池ＦＣのアノード極に供給される。なお、このときＭＨタンク４１の内圧が中圧水素ラインＬ２の圧力よりも高い場合に、ＭＨタンク４１から水素ガスの放出が可能となる。例えば、外部負荷からの電力要求量が高い場合には、水素タンク１１側から水素ガスを供給し、外部負荷からの電力要求量が低い場合には、水素タンク１１の遮断弁１２を閉じて、ＭＨタンク４１側から水素ガスを供給するようにしてもよい。

水素ガスの放出が開始された後、制御装置５０によって圧力センサＳ１から取得されたＭＨタンク４１の内圧Ｐが予め設定された第１所定圧Ｐ１（図２参照）以下であるか否かを判断する（Ｓ１０２）。内圧Ｐが第１所定圧Ｐ１より高い場合には（Ｎｏ）、水素ガスの放出を継続し、第１所定圧Ｐ１以下になった場合には（Ｙｅｓ）、ＭＨ用遮断弁４３を閉じて、ＭＨタンク４１からの水素ガスの放出を一旦停止する（Ｓ１０３）。そして、Ｓ１０４において、ＭＨタンク４１の内圧Ｐが第２所定圧Ｐ２（図２参照）より低いか否かを判断する（Ｓ１０４）。このとき、内圧Ｐが第２所定圧Ｐ２以上である場合には（Ｎｏ）、Ｓ１０１に戻ってＭＨ用遮断弁４３を開いて水素ガスの放出を再開し、第２所定圧Ｐ２より低い場合には（Ｙｅｓ）、水素ガスの放出を停止してから所定時間（例えば、１０秒）経過しているか否かを判断する（Ｓ１０５）。このとき、所定時間経過していない場合には（Ｎｏ）、Ｓ１０４に戻って第２所定圧Ｐ２に回復したか再度判断され、所定時間ｔ（図２参照）経過している場合には（Ｙｅｓ）、ＭＨ用遮断弁４３を閉じて水素ガスの放出処理を終了する。

図２に示すように、ＭＨタンク４１では、ＭＨタンク４１の内圧Ｐが一旦第１所定圧Ｐ１まで低下したとしても、その後第２所定圧Ｐ２まで上昇する特性を有している。この特性を考慮して、前記のように、ＭＨタンク４１から水素ガスの放出停止（ｔ１〜ｔ２，ｔ３〜ｔ４）と放出（ｔ２〜ｔ３，ｔ４〜ｔ５）を繰り返すことにより、第１所定圧Ｐ１から第２所定圧Ｐ２までの回復時間が徐々に長くなる。つまり、ＭＨタンク４１内の水素ガスの残量を、通常残量（放出しきれずに常に残留する量）に徐々に近づけることが可能になる。最終的に、図２においてｔ５〜ｔ６で示すように、水素放出停止から所定時間経過したときに内圧Ｐが第２所定圧Ｐ２以下になった場合、つまり内圧Ｐが一定またはほぼ一定となった場合に、放出処理を終了する。このようにして、ＭＨタンク４１の内圧Ｐを監視することにより、水素ガスのＭＨタンク４１への貯蔵と放出の繰り返しによる積算誤差の拡大を防止でき、水素残量の検出精度を高めることが可能になる。

ところで、ＭＨタンク４１内の水素吸蔵合金は、ＭＨタンク４１の温度によって水素ガスの放出特性が変化するものであり、温度が低い場合に水素ガスの放出性能が低下する。そこで、図４に示す別の水素ガス放出の制御では、冷却媒体Ｃの温度を考慮するステップを追加している。すなわち、図４は、図３のフローチャートに、Ｓ１１０とＳ１１１の各ステップを追加した構成となっている。なお、追加したステップ以外は、図３の制御と同様であるので、追加したステップのみについて説明する。

図４に示すように、Ｓ１０５において、水素ガスの放出停止から所定時間経過している場合には（Ｙｅｓ）、処理を終了せずに、さらに、Ｓ１１０に移行して冷却媒体Ｃの温度Ｔが所定温度を超えているか否かを判断する。なお、この所定温度は、適宜設定できるが、例えば３０℃程度である。Ｓ１１０で、既に所定温度を超えている場合には（Ｙｅｓ）、水素ガスの放出処理を終了する。Ｓ１１０で、所定温度以下の場合には（Ｎｏ）、ＭＨタンク４１の内圧Ｐが第１所定圧Ｐ１よりも高いか否かを判断する（Ｓ１１１）。このとき、内圧Ｐが第１所定圧Ｐ１よりも高い場合には（Ｙｅｓ）、Ｓ１０１に戻ってＭＨ用遮断弁４３を開いて水素ガスの放出を再開し、第１所定圧Ｐ１以下である場合には（Ｎｏ）、Ｓ１１０に戻り、冷却媒体Ｃの温度Ｔが所定温度を超えているか否かを再度判断する。

このように、冷却媒体Ｃの温度Ｔを水素ガス放出処理終了の条件として追加することで、ＭＨタンク４１内の水素残量の検出精度をさらに高めることが可能になる。なお、図４に示す実施形態では、Ｓ１１１の処理において、ＭＨタンク４１の内圧Ｐが第１所定圧Ｐ１よりも高いか否かを判断するようにしたが、これに限定されるものではなく、ＭＨタンク４１の内圧Ｐが第２所定圧Ｐ２よりも高いか否かを判断するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。ＭＨタンクを使用したときの水素ガスの放出特性を示す図である。水素ガス放出時の処理を示すフローチャートである。水素ガス放出時の別の処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０水素供給手段
１３１次レギュレータ
１４２次レギュレータ
２０空気供給手段
３０冷却手段
３１冷却配管
４０暖機手段
４１ＭＨタンク
４２ＭＨ用配管
４３ＭＨ用遮断弁
４４バイパス配管
４５三方弁
５０制御装置
Ｃ冷却媒体
ＦＣ燃料電池
Ｓ１圧力センサ
Ｓ２温度センサ

Claims

水素ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、前記水素ガスを吸蔵および放出する水素吸蔵合金を内蔵したＭＨタンクとを有し、前記ＭＨタンクに前記水素ガスを吸蔵させる際に発生する熱で前記燃料電池を暖機するとともに、前記暖機終了後に前記ＭＨタンクに吸蔵した前記水素ガスを放出する燃料電池システムであって、
前記水素ガスの放出時に前記ＭＨタンクの内圧が第１所定圧以下となった段階で一旦前記水素ガスの放出を停止し、前記停止後、所定時間内に前記内圧が前記第１所定圧よりも高い第２所定圧に回復した場合に、前記内圧が前記第１所定圧以下になるまで前記水素ガスの放出と停止を繰り返して、前記内圧が前記所定時間内に前記第２所定圧に回復しない場合に放出終了となるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池の発電時に発生する熱によって、前記燃料電池を冷却する冷却媒体を加熱することで前記ＭＨタンクを加熱するＭＨタンク加熱手段と、
前記燃料電池と前記ＭＨタンクとの間に設けられ、前記ＭＨタンクに流入する前記冷却媒体の温度を測定する温度センサと、を備え、
前記内圧が前記所定時間内に前記第２所定圧に回復しない場合に放出終了とせず、前記冷却媒体の温度を測定して、前記冷却媒体の温度が所定温度を超えた場合に放出終了となるように制御す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。