JP2004063118A

JP2004063118A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004063118A
Application number: JP2002216285A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Makino; 牧野　眞一
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】暖機時の消費エネルギを抑制した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】スタック１と、スタック１内部を不凍液が通過する不凍液経路２と、不凍液を加熱する不凍液加熱手段３と、不凍液経路２に不凍液を供給する不凍液ポンプ１１と、を備える。さらに、不凍液の流通方向を切替える切替え弁２１〜２４と、を備え、スタック１の加温途中に不凍液の流通方向を少なくとも一回は切替える。例えば、暖機目標温度Ｔ_１とスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎの差と暖機初期のスタック温度Ｔ_０とスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔとの差が等しくなったら、スタック１内の不凍液の流通方向を切替える。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は燃料電池システム、特に燃料電池スタックの暖機を行うための構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、燃料電池システムの暖機時（氷点下時など）には、燃焼器や加熱ヒーターなどを用いて冷媒（例えば、不凍液）を加熱して、それをスタックへ供給することでスタックの暖機を行う方法が知られている。このような方法においては、加熱した冷媒をスタックの一方向から供給した場合、冷媒の入口側と出口側で温度差が生じる。そのため、スタックを均一に昇温できず、暖機の目標温度を超えた昇温をしなければならないので、無駄なエネルギをスタックの暖機に投入しなければならない。
【０００３】
このような問題に対して、特開平１０−３４０７３４号公報には、燃料電池スタック内部の温度分布が大きくなった場合に、冷媒ポンプの駆動力を増加させる方法が開示されている。冷媒ポンプの駆動力を増加させることで、冷却水の単位時間当たりの流量を増加させることができ、入口側と出口側の温度差を小さくすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
従来の燃料電池システムでは加熱された冷媒が燃料電池スタックへ一方向に供給される構成になっている。そのため、図１に示すように、スタックの起動直後の温度Ｔ_０から暖機目標温度Ｔ_１へ暖機しようとする場合、スタックの入口側では高温に、出口側で低温になり、冷媒の流通方向に関して均一に昇温することができない。そして、入口側が暖機目標温度Ｔ_１を超えて加熱されていても、出口側は暖機目標温度Ｔ_１に達することができない状態が生じる。このようなときにも、出口側が暖機目標温度Ｔ_１を超えるまで加温し続けなければならず、入口側は暖機目標Ｔ_１以上の余分な昇温を行うことになり、無駄なエネルギを消費する。
【０００５】
そこで、特開平１０−３４０７３４号公報においては、ポンプの駆動力を大きくして入口側と出口側の温度分布を小さくしている。しかしながら、このような方法では、ポンプの消費電力が大きくなり、発電のできない、または、発電量の少ない氷点下では、大型の二次電池からの電力供給に頼らなければならないという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、エネルギ消費を抑制した起動を行う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。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタック内部を冷媒が通過する冷媒経路と、前記冷媒を加熱する冷媒加熱手段と、前記冷媒経路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、を備える。さらに、前記冷媒の流通方向を切替える切替え手段と、前記燃料電池スタックの加温途中に、冷媒の流通方向を少なくとも一回は切替える切替え制御手段と、を備える。
【０００８】
【作用及び効果】
燃料電池スタックの加温途中に、冷媒の流通方向を少なくとも一回は切替えることで、低温である出口側に高温の冷媒を流すことができるので、燃料電池スタック内の温度の勾配を低減することができる。これにより、エネルギ消費を過大に増加することなく温度分布を平均化することができるので、起動時に消費するエネルギを低減することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの冷媒経路、ここでは不凍液経路の模式図を図２に示す。
【００１０】
スタック１は、水素と酸素の電気化学反応を生じることにより発電を行う装置である。スタック１は、環境温度が氷点下等の起動時には暖機する必要があり、本実施形態では、スタック１に加熱した冷媒、ここでは不凍液を循環させることにより暖機する。
【００１１】
スタック１内の不凍液の流通路の一端を第一端部３３とし、他端を第二端部３４とする。第一端部３３、第二端部３４のそれぞれには熱電対３３ａ、３４ａを配置し、スタック１内の端部の温度を検出する。不凍液は、この第一端部３３または第二端部３４のどちらか一方からスタック１内に導入され、他方から排出される。
【００１２】
第一端部３３または第二端部３４のどちらか一方から排出された不凍液を、再び他方（導入側）に循環させる経路を不凍液経路２とする。不凍液経路２には、不凍液を圧送する不凍液ポンプ１１と不凍液の加熱を行う不凍液加熱手段３を備える。
【００１３】
環境温度が氷点下等の燃料電池の暖機が必要な起動時においては、燃料電池スタック１を昇温するために不凍液加熱手段３を用いて不凍液を加熱し、不凍液ポンプ１１を用いて不凍液経路２に流通させる。不凍液加熱手段３としては、例えば、燃料電池システムで使用する燃料と空気を直接供給して燃焼する燃焼器や、電熱ヒータ等が考えられる。
【００１４】
次に不凍液経路２の形状を説明する。
【００１５】
不凍液経路２は、第一端部３３から第一分岐部３１に延び、第一分岐部３１で第一排出切替え弁２１側と第一供給切替え弁２２側に分岐する。また、第二端部３４から第二分岐部３４に延び、第二分岐部３４では第二供給切替え弁２３側と第二排出切替え弁２４側に分岐する。
【００１６】
第一分岐点３１から分岐した第一排出切替え弁２１側と、第二分岐点３２から分岐した第二排出切替え弁２４側は、それぞれ第一排出切替え弁２１、第二排出切替え弁２４を介して合流する。
【００１７】
その後、不凍液ポンプ１１と不凍液加熱手段３を介して、第一供給切替え弁２２側と第二供給切替え弁２３側に分岐し、第一供給切替え弁２２を介して第一分岐点３１に、第二供給切替え弁２４を介して第二分岐点３２に接続する。
【００１８】
不凍液経路２を上記のように形成し、第一端部３３と第二端部３４と、を交互に入口とし、また他方を出口とすることで、スタック１内の不凍液の流れの方向を逆転する。例えば、図３に示すように、第一供給側切替え弁２２、第二排出側切替え弁２４を開き、第一排出側切替え弁２１、第二供給側切替え弁２３を閉じる。これにより、不凍液は、不凍液加熱手段３において温度調整した後に第一供給側切替え弁２２、第一分岐点３１を介して、第一端部３３からスタック１に導入され、スタック１を暖機する。その後、第二端部３４から排出され、第二分岐点３２、第二排出側切替え弁２４を介して不凍液ポンプ１１に導入され、再び循環する。
【００１９】
一方、図４に示すようにすることで、スタック１内の不凍液の流れ方向を図３の向きと逆方向にすることができる。つまり、第二供給側切替え弁２３、第一排出側切替え弁２１を開き、第二排出側切替え弁２４、第一供給側切替え弁２２を閉じる。これにより、不凍液は、不凍液加熱手段３において温度調整した後に、第二供給側切替え弁２３、第二分岐点３２を介して第二端部３４からスタック１内に取り込まれて暖機を行う。その後、第一端部３３から排出され、第一分岐点３１、第一排出側切替え弁２１を介して不凍液ポンプ１１に導入され再び循環する。
【００２０】
図３の状態では、スタック１の第一端部３３側が高温、第二端部３４に向かうにつれて低温になるが、図４のように不凍液流通方向を切替えると、高温の不凍液はそれまで低温だった第二端部３４側に流れ込む。これによりスタック１の低温部分を重点的に昇温することができるので、スタック１の温度分布を低減することができる。
【００２１】
また、このような燃料電池システム、特にスタック１の暖機運転の制御をコントローラ１００において行う。コントローラ１００へは熱電対３３ａ、３４ａの出力結果を入力し、各弁の開閉および不凍液ポンプ１１の回転数の制御を行う。
【００２２】
次に、コントローラ１００における燃料電池システムの起動時の制御方法を図７に示すフローチャートを用いて説明する。
【００２３】
暖機運転がスタートしたら、まずステップＳ１０において、暖機目標温度Ｔ_１を設定する。また、暖機前のスタック１内部の温度Ｔ_０を熱電対３３ａ、３４ａのどちらか一方を用いて測定する。ここで、起動開始直後には、どちらの熱電対３３ａ、３４ａで測定してもほぼ同じ値が検出されるので、どちらを用いてもかまわない。
【００２４】
次に、ステップＳ１１において、不凍液加熱手段３による不凍液の加熱を開始する。また、図３のように、第一供給側切替え弁２２、第二排出側切替え弁２４のみを開くことで、不凍液を第一端部３３から第二端部３４に向かって流通させる。続いてステップＳ１２において、熱電対３３ａを用いてスタック１の不凍液入口部の内部温度であるスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎを、また熱電対３４ａを用いてスタック１の不凍液出口部の内部温度であるスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔを検出する。
【００２５】
次に、ステップＳ１３において、Ｔ_ｉｎとＴ_１−（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_０）とを比較して大小を判断する。Ｔ_ｉｎがＴ_１−（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_０）以下と判断された場合にはステップＳ１２に戻り再びスタック内部入口・出口温度Ｔ_ｉｎ、Ｔ_ｏｕｔの測定を行う。Ｔ_ｉｎがＴ_１−（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_０）より大きくなるまでその状態で暖機を継続し、Ｔ_ｉｎがＴ_１−（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_０）より大きいと判断されたら、ステップＳ１４に進み、不凍液の流通方向を切替える。ここでは図３から図４のように切替えるため、第一供給側切替え弁２２、第二排出側切替え弁２４を閉じ、第二供給側切替え弁２３、第一排出側切替え弁２１を開く。
【００２６】
このように不凍液の流通方向を切替えたらステップＳ１５においてスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎを検出する。ステップＳ１６において、スタック内部入口温度Ｔ_ｉｎが暖機目標温度Ｔ_１達しているかどうかを判断する。暖機目標温度Ｔ_１に達していなければステップＳ１５に戻り、暖機を継続する。ステップＳ１６において、スタック内部入口温度Ｔ_ｉｎが暖機目標温度Ｔ_１に達したら、ステップＳ１７に進み、不凍液加熱手段３を停止して暖機を終了する。
【００２７】
このように、スタック内部入口温度Ｔ_ｉｎがＴ_１−（Ｔ_ｏｕｔ−Ｔ_０）に達した時点で流通方向を切替えることにより、図９に示すように、台形ＡＢＦＥの面積と台形ＣＤＥＦの面積が同じとなるような温度で不凍液の流通方向を切替えることができる。ここで、台形ＡＢＦＥの面積はスタック１にすでに与えた熱量、台形ＣＤＥＦの面積はスタック１に与えなければならない残りの熱量を示すので、これらが同じ量となる温度で不凍液の流通方向を切替えることになる。これにより、最も少ない切替え弁で、また最も少ない切替え回数で、無駄な暖機を避けることができる。
【００２８】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【００２９】
本実施形態は、スタック１と、スタック１内部に不凍液を流通させる不凍液経路２と、不凍液を加熱する不凍液加熱手段３と、不凍液経路２に不凍液を供給する不凍液供給手段、ここでは不凍液ポンプ１１と、を備える。さらに不凍液の流通方向を切替える切替え手段としての切替え弁２１〜２４とを備え、スタック１の加温途中に、ステップＳ１４において不凍液の流通方向を少なくとも一回は切替える。流通方向を切替えることで、低温であった出口側に高温の不凍液を供給することができるので、スタック１内の不凍液の流れ方向の温度分布を低減することができる。これにより、起動時に無駄にスタック１を暖機するのを抑制できるので、暖機時のエネルギ消費を低減することができる。
【００３０】
ここでは、スタック内部入口温度Ｔ_ｉｎを推定または検出するスタック入口温度検出手段、ここでは熱電対３３ａを備える。ここで、切替え回数が一回であり、起動直後の状態が図３のようであれば熱電対３３ａ、図４であれば熱電対３４ａ、切替え回数が複数であれば熱電対３３ａ、３４ａがスタック入口温度検出手段に相当する。
【００３１】
スタック入口温度検出手段によりスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎを検出し、これが所定の温度を超えた場合に不凍液の流通方向、特にスタック１内を流れる不凍液の流通方向を切替える。これにより、スタック１の内部温度が暖機目標温度Ｔ_１以上になるのを抑制し、無駄に消費する加熱エネルギを低減することができる。
【００３２】
ここでは、スタック１の暖機目標温度Ｔ_１を設定し、暖機目標温度Ｔ_１とスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎとの温度差と、暖機初期のスタック１の温度Ｔ_０とスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔとの温度差と、が等しくなったら不凍液の流通方向を切替える。これにより、不凍液からスタック１へすでに供給した熱量と、これから供給する熱量が等しい時点で不凍液の流通方向を切替えることができ、一回の切替えで無駄なエネルギ消費を効率良く低減することができる。
【００３３】
また、スタック１を暖機する流体として冷媒を用いるために既存の構成で暖機できるとともに、冷媒として不凍液を用いることで、冷媒を解凍する必要がなくなり、暖機時に消費するエネルギ量を低減できるとともに、起動時間を短縮することができる。
【００３４】
また、上記のような効果を、不凍液経路２の形状と切替え弁２１〜２４のみの簡単な構成で実現でき、また低コストで実現することができる。
【００３５】
なお、当然であるが、図３に示す状態と図４に示す状態の順番は問わず、暖機直後に図４の状態となるようにしてもよい。また、暖機終了の判断をスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎにより判断しているが、スタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔにより判断してもよい。さらに、スタック１の不凍液出入口の内部温度Ｔ_ｉｎ、Ｔ_ｏｕｔを測定する熱電対３３ａ、３４ａを備えたが、スタック１内部の温度分布が推定できる場合にはスタック１内部の温度のいずれかの箇所の温度を検出すればよい。この場合には、検出したスタック１内部の温度からスタック内部入口・出口温度Ｔ_ｉｎ、Ｔ_ｏｕｔを推定することで、本実施形態と同様の制御を行うことができる。また、スタック１から排出された不凍液温度等からスタック１の内部温度が推定できるような場合には、その不凍液温度を検出してもよい。
【００３６】
さらに、上記のような効果を得るための構成は、図２に限られるわけではなく、例えば図５に示したように三方弁２５、２６を用いた方法や、図６に示すような逆回転運転が可能な不凍液ポンプ１２を用いる方法も考えられる。
【００３７】
図５においては、図２における切替え弁２１、２２の替わりに第一分岐点３１に三方弁２５を、切替え弁２３、２４の替わりに第二分岐点３２に三方弁２６を配置する。三方弁２５、２６の不凍液が供給される側を吸入部２５ａ、２６ａとし、スタック１に面する側を端部側２５ｃ、２６ｃとし、もう一方の排出側を排出部２５ｂ、２６ｂとする。三方弁２５において、吸入部２５ａと端部側２５ｃを流通させ、三方弁２６において端部側２６ｃと排出部２６ｂを連通させる。このように設定することで、図３と同様にスタック１内を不凍液が第一端部３３から第二端部３４に流れるようにすることができる。
【００３８】
一方、三方弁２６において、吸入部２６ａと端部側２６ｃを連通させ、三方弁２５において、端部側２５ｃと排出部２５ｂを連通させることにより図４と同様にスタック１内を不凍液が第二端部３４から第一端部３３に流れるように設定することができる。
【００３９】
図６においては、スタック１の第一端部３３と第二端部３４を逆回転運転が可能な不凍液ポンプ１２に接続する。これにより、不凍液ポンプ１２の回転を逆転させることで、図３、図４の状態を切替えることができる。
【００４０】
次に、第２の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池システムの冷媒経路を第１の実施形態と同様の構成（図２〜図４）とする。本実施形態の制御を示すフローチャートを図８に示す。
【００４１】
暖機運転がスタートしたら、まずステップＳ２０〜Ｓ２２においては図７ステップＳ１０〜Ｓ１２と同様に、暖機目標温度Ｔ_１を設定し、スタック内部温度Ｔ_０を測定し、不凍液の加熱・供給を開始してからスタック内部入口・出口温度Ｔ_ｉｎ、Ｔ_ｏｕｔを検出する。ステップＳ３において、Ｔ_ｏｕｔと（Ｔ_１−Ｔ_ｉｎ）＋Ｔ_０との大小関係を判断する。Ｔ_ｏｕｔが小さいと判断されたら、ステップＳ２２に戻り再びＴ_ｉｎ、Ｔ_ｏｕｔを検出し、それを繰り返す。Ｔ_ｏｕｔが（Ｔ_１−Ｔ_ｉｎ）＋Ｔ_０より大きくなるまでそのままの状態で暖機を継続し、ステップＳ２３においてＴ_ｏｕｔが大きいと判断されたらステップＳ２４に進む。
【００４２】
次にステップＳ２４において、切替え弁を図３から図４のように切替えることによりスタック１内を流通する不凍液の流通方向の切替えを行う。
【００４３】
不凍液の流通方向の切替えを行ったら、ステップＳ２５〜Ｓ２７において、第１の実施形態におけるステップＳ１５〜Ｓ１７と同様に暖機目標温度Ｔ_１に達するまで暖機を継続し、暖機目標温度Ｔ_１に達したら暖機を終了する。
【００４４】
このように操作することで、図９において台形ＡＢＦＥの面積、つまりスタック１に既に与えた熱量と、台形ＣＤＥＦの面積、つまりスタック１に与えなければならない残りの熱量が同じになる時点で、不凍液の流通方向を切替える。ここではスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔが、（Ｔ_１−Ｔ_ｉｎ）＋Ｔ_０となった時点で、上記のように与えられた熱量と残りの熱量とが等しくなるので、Ｔ_ｏｕｔが（Ｔ_１−Ｔ_ｉｎ）＋Ｔ_０より大きくなった時点で不凍液の流通方向を切替える。これにより、最も少ない切替え弁の切替え回数で、無駄な暖機を避けることができる。
【００４５】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００４６】
スタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔを推定または検出するスタック出口温度検出手段、ここでは熱電対３４ａを備える。ここで、切替え回数が一回であり、起動直後の状態が図３のようであれば熱電対３４ａ、図４のようであれば熱電対３３ａ、切替え回数が複数であれば熱電対３３ａ、３４ａがスタック出口温度検出手段に相当する。
【００４７】
スタック出口温度検出手段によりスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔを検出し、Ｔ_ｏｕｔが所定の温度を超えた場合に不凍液の流通方向を切替える。これにより、スタック１の内部温度が暖機の目標温度Ｔ_１以上になるのを抑制し、無駄に消費するエネルギを低減することができる。
【００４８】
また、第１の実施形態と同様に、暖機目標温度Ｔ_１とスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎとの温度差と、暖機初期のスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔとの温度差と、が等しくなったら不凍液の流通方向を切替える。これにより、不凍液からスタック１へすでに供給した熱量と、これから供給する熱量が等しい時点で不凍液の流通方向を切替えることができ、一回の切替えで無駄なエネルギ消費を効率良く低減することができる。
【００４９】
なお、本実施形態も、第１実施形態と同様に図５、図６に示したような燃料電池システムにも適用することができる。
【００５０】
次に第３の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とする。ただし、端部３３、３４には、さらに、流通する不凍液の温度を検出する熱電対３３ｂ、３４ｂを配置する。本実施形態に用いる制御フローを図１０に示す。
【００５１】
暖機がスタートしたらステップＳ３０に進む。ステップＳ１０と同様に暖機目標温度Ｔ_１を設定し、スタック内部温度Ｔ_０を測定する。ステップＳ３１において、スタック１を温度Ｔ_０からＴ_１まで暖機するのに必要な熱量Ｑ_{ｓｔｕｃｋ}を、予め実験等で測定しておいたスタック１の熱容量Ｃ_{ｓｔｕｃｋ}と温度差（Ｔ_１−Ｔ_０）より算出する。
【００５２】
ステップＳ３２においてステップＳ１１と同様に不凍液の加熱を開始するとともに、切替え弁を図３のように設定して不凍液をスタック１に流通させる。ステップＳ３３において、熱電対３３ｂからスタック１へ流入する不凍液の温度である不凍液入口温度Ｔ_ｉｎ＿_ＬＬＣと、熱電対３４ｂからスタック１から流出する不凍液の温度である不凍液出口温度Ｔ_ｏｕｔ＿_ＬＬＣを測定する。
【００５３】
ステップＳ３４に進み、不凍液の質量流量Ｇ_ＬＬＣを測定する。これは、例えば流量センサ等を設けてもよいが、ここでは不凍液ポンプ１１の回転数等から求めることができる。次に、ステップＳ３５においては、不凍液からスタック１へ移動した熱量を、予め実験等で求めておいた不凍液の比熱Ｃ_Ｐ＿_ＬＬＣと不凍液質量流量Ｇ_ＬＬＣと温度差（Ｔ_ｉｎ＿_ＬＬＣ−Ｔ_ｏｕｔ＿_ＬＬＣ）との時間積分から算出する。
【００５４】
続いて、ステップＳ３６において、不凍液からスタック１へ移動した熱量Ｑ_ＬＬ _Ｃがスタック１を暖機するのに必要な熱量Ｑ_{ｓｔｕｃｋ}の半分を超えているかどうかを判断する。Ｑ_ＬＬＣがＱ_{ｓｔｕｃｋ}／２を超えていなければステップＳ３３に戻り、再び不凍液からスタック１へ移動した熱量Ｑ_ＬＬＣを求める。
【００５５】
ステップＳ３６においてＱ_ＬＬＣがＱ_{ｓｔｕｃｋ}／２を超えれば、ステップＳ３７に進み、切替え弁を図４のように切替えて、スタック１内を流通する不凍液の流通方向を切替える。
【００５６】
不凍液の流通方向の切替えを行ったら、ステップＳ３８〜Ｓ４０において、第１の実施形態におけるステップＳ１５〜Ｓ１７と同様に暖機目標温度Ｔ_１に達するまで暖機を継続し、暖機目標温度Ｔ_１に達したら暖機を終了する。
【００５７】
以上のような操作により、スタック１が半分暖機されたところで、不凍液の流通方向を切替えることができ、最も少ない切替え弁の切替え回数で、無駄な暖機を避けることができる。
【００５８】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００５９】
スタック１の不凍液入口部の不凍液の温度を検出する不凍液入口温度検出手段、ここでは熱電対３３ｂと、スタック１の不凍液出口部の不凍液の温度を検出する不凍液出口温度検出手段、ここでは熱電対３４ｂを備える。さらに、不凍液の入口温度と出口温度から不凍液からスタック１へ移動した熱を算出する熱量算出手段（ステップＳ３５に相当）と、を備える。不凍液からスタック１へ移動した熱量が所定の値を超えたら不凍液の流通方向を切替える。これにより、不凍液からスタック１へ移動する熱量が、スタック１を暖機目標温度Ｔ_１まで暖機するのに必要な熱量以上になるのを避けることができるため、暖機の際の消費エネルギを低減することができる。
【００６０】
さらに、ステップＳ３１における動作のように、スタック１を暖機するまでに不凍液から移動する総熱量Ｑ_{ｓｔｕｃｋ}を算出する総熱量算出手段を備え、不凍液からスタック１へ移動した熱量が総熱量Ｑ_{ｓｔｕｃｋ}の半分を超えたら不凍液の流通方向を切替える。これにより、スタック１が半分暖機されたところで不凍液の流通方向を切替えるので、最も少ない切替え回数で無駄な暖機を避けることができ、消費エネルギを低減することができる。
【００６１】
次に、第４の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様とし、不凍液の流通方向を切替える制御を図１１のフローチャートを用いて説明する。ここでは、スタック内部入口温度Ｔ_ｉｎとスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔとの温度差を所定の値程度に抑えることで、スタック１内の温度分布を抑制する。
【００６２】
暖機運転がスタートしたら、ステップＳ５０において暖機目標温度Ｔ_１を設定する。ステップＳ５１において不凍液の加熱を開始するとともに、切替え弁を図３のように設定してスタック１への不凍液の供給を開始する。
【００６３】
ステップＳ５２において、熱電対３３ａからスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎを、また、熱電対３４ａを用いてスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔを検出する。次にステップＳ５３で、温度差（Ｔ_ｉｎ−Ｔ_ｏｕｔ）が所定の温度、例えば２℃を超えたかどうかを判断する。所定の温度を超えるまでステップＳ５２、Ｓ５３を繰り返し、ステップＳ５３において超えたと判断されたら、ステップＳ５４に進む。
【００６４】
ステップＳ５４において、切替え弁を図４のように切替えることにより、スタック１内の不凍液の流通方向を切替える。次にステップＳ５５においてＴ_ｏｕｔとＴ_１との大小を比較して、Ｔ_ｏｕｔ＞Ｔ_１である場合にはさらに暖機が必要であると判断してステップＳ５２に戻る。
【００６５】
このようにステップＳ５２〜Ｓ５５を繰り返している間、つまり暖機中は、スタック内部入口・出口温度Ｔ_ｉｎ、Ｔ_ｏｕｔの温度差が所定の温度、ここでは２℃より大きくなったら不凍液の流通方向を切替える制御を繰り返す。ただし、不凍液の流れが図４の状態である場合は、熱電対３３ａの出力をＴ_ｏｕｔ、熱電対３４ａの出力をＴ_ｉｎとする。ステップＳ５５においてＴ_ｏｕｔがＴ_１以上になったと判断されたらステップＳ５６に進み、不凍液加熱手段３を停止して暖機を終了する。ここで、暖機運転の終了は、スタック内部入口温度Ｔ_ｉｎが暖機目標温度Ｔ_１に達したかどうかで判断してもよい。
【００６６】
以上のように操作することにより、スタック１の内部の温度分布を所定の温度（例えば２℃）以下に保つことができ、所定温度以内の均一な昇温が可能となる。
【００６７】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【００６８】
スタック１の不凍液入口部におけるスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎを検出するスタック入口温度検出手段、ここでは熱電対３３ａまたは３４ａと、スタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔを検出するスタック出口温度検出手段、ここでは熱電対３４ａまたは３３ａと、を備える。スタック内部入口温度Ｔ_ｉｎとスタック内部出口温度Ｔ_ｏｕｔとの温度差が所定の値を超えたら不凍液の流通方向を切替える。
【００６９】
このように制御することで、スタック１の不凍液の出入口部の内部温度差を所定の値程度に抑えることができ、スタック１内の温度分布を抑制することができるので均一に昇温することができる。これにより、暖機時にスタック１に生じる温度分布が原因でスタック１全体を昇温する際に無駄に消費するエネルギを低減することができるので、効率のよい暖機を行うことができる。
【００７０】
次に、第５の実施形態について説明する。本実施形態に用いる燃料電池システム、特にスタック１の冷却システムの構成を第１の実施形態と同様とし、暖機時の不凍液の流通に関する制御を図１２に示すフローチャートに示す。
【００７１】
ここで、図２、図５のように不凍液の流通方向を弁により切替える場合、時間０の瞬時で弁を切替えることは不可能である。そのため、弁の切替えを行っている間、不凍液加熱手段３を流れる不凍液の流速が遅くなり、不凍液の局所的な昇温と加熱手段の一時的な加温が生じる。また、図６のように逆回転運転が可能な不凍液ポンプ１２を用いて流通方向を切替える場合でも、不凍液ポンプ１２の正転から反転までの間に不凍液加熱手段３を流れる不凍液の流速が遅くなり、不凍液の局所的な加熱と不凍液加熱手段３の一時的な昇温が生じる。
【００７２】
そこで本実施形態では、このような不凍液の温度分布を低減するため、不凍液の流通方向を切替えている間、不凍液加熱手段３の出力を小さくする。ここでは、不凍液の流通方向が切替えられて流量が減少してから、再び切替え前と同等の流量に戻るまでの時間ｔ_{ｓｈｔｍｒ}を予め実験等で求めておき、コントローラ１００に記憶させておく。また、コントローラ１００には不凍液加熱手段３の出力を減少させた時点でタイマー値ｔ_ｍｒをリセットするとともにカウントを始めるタイマーを内蔵しておく。
【００７３】
次に、暖機時の制御フローを図１２のフローチャートを用いて説明する。
【００７４】
ステップＳ１０〜Ｓ１４においては、第１の実施形態と同様とする。ステップＳ１４において、不凍液の流通方向を切替えたら、ステップＳ６５において不凍液加熱手段３の出力を低減する。出力低減方法としては、不凍液加熱手段３が燃焼器の場合には供給燃料を低減させる、電熱ヒーターの場合には供給電源を低減させる等が考えられる。
【００７５】
ステップＳ６６において、コントローラ１００に内蔵したタイマーのタイマー値ｔ_ｍｒが所定値ｔ_{ｓｔｈｍｒ}を超えたかどうかを判断する。タイマー値ｔ_ｍｒが所定値ｔ_{ｓｈｔｍｒ}を超えるまでカウントを続け、超えたらステップＳ６７に進み、不凍液加熱手段３の出力を回復する。
【００７６】
その後、ステップＳ１５〜Ｓ１７において、第１の実施形態と同様にスタック内部入口温度Ｔ_ｉｎが暖機目標温度Ｔ_１に達するまで暖機を継続し、暖機目標温度Ｔ_１に達したら不凍液加熱手段３を停止して暖機を終了する。
【００７７】
次に本実施形態に効果を説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７８】
不凍液の流通方向を切替える間は、不凍液加熱手段３において不凍液に移動する熱量を低減する。流通方向を切替える際には、不凍液の流量が減少して不凍液加熱手段３を流れる不凍液が局所的に加熱されるが、不凍液加熱手段３から不凍液へ移動する熱量を減少させることにより不凍液の異常な昇温を避けることができる。これにより、スタック１が局所的に昇温するのを防ぐことができ、安定した暖機を行うことができる。
【００７９】
なお、ここでは不凍液加熱手段３の出力を抑制する時間ｔ_{ｓｔｈｍｒ}を実験等により予め求めたが、流量センサ等によりスタック１に供給される不凍液流量を検出し、不凍液流量が切替え前と同等の流量となったら不凍液加熱手段３の出力を通常に戻すように制御することもできる。
【００８０】
また、本実施形態では、不凍液流通方向の切替えの判断は、第１の実施形態と同様としたが、第２〜４の実施形態の切替えのフローにも適用できる。
【００８１】
このように、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の燃料電池システムの暖機時のスタック内部温度の分布図である。
【図２】第１の実施形態における燃料電池システムの一部の構成図である。
【図３】第１の実施形態の不凍液の流通制御の第一説明図である。
【図４】第１の実施形態の不凍液の流通制御の第二説明図である。
【図５】第１の実施形態の燃料電池システムと同様の効果を持つ構成例である。
【図６】第１の実施形態の燃料電池システムと同様の交換を持つ構成例である。
【図７】第１の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【図８】第２の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【図９】第２の実施形態における不凍液からスタックへ移動する熱量の説明図である。
【図１０】第３の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【図１１】第４の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【図１２】第５の実施形態における不凍液の流通制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１　　スタック（燃料電池スタック）
２　　不凍液経路
３　　不凍液加熱手段
１１　不凍液ポンプ（冷媒供給手段）
１２　不凍液ポンプ（冷媒液供給手段、切替え手段）
２１　第一排出側切替え弁（切替え手段）
２２　第一供給側切替え弁（切替え手段）
２３　第二供給側切替え弁（切替え手段）
２４　第二排出側切替え弁（切替え手段）
２５　三方弁（切替え手段）
２６　三方弁（切替え手段）
３３ａ、３４ａ　熱電対（スタック入口温度検出手段またはスタック出口温度検出手段）
３３ｂ、３４ｂ　熱電対（不凍液入口温度検出手段または不凍液出口温度検出手段）
切替え制御手段・・・Ｓ１４、Ｓ２４、Ｓ３７、Ｓ５４
熱量算出手段・・・Ｓ３５
総熱量算出手段・・・Ｓ３１
目標暖機設定手段・・・Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０、Ｓ５０

Claims

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内部に冷媒を通過させる冷媒経路と、
前記冷媒を加熱する冷媒加熱手段と、
前記冷媒経路に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える切替え手段と、
前記燃料電池スタックの加温途中に、前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を少なくとも一回は切替える切替え制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池スタックの冷媒の入口部における内部温度を推定または検出するスタック入口温度検出手段を備え、
前記スタック入口温度検出手段により前記燃料電池スタックの冷媒入口部における内部温度を推定または検出し、前記冷媒入口部の内部温度が所定の温度を超えた場合に、前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックの冷媒の出口部における内部温度を推定または検出するスタック出口温度検出手段を備え、
前記スタック出口温度検出手段により前記燃料電池スタックの冷媒出口部における内部温度を推定または検出し、前記冷媒出口部の内部温度が所定の温度を超えた場合に、前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックの暖機目標温度を設定する暖機目標温度設定手段と、
前記燃料電池スタックの冷媒の入口部における内部温度を推定または検出するスタック入口温度検出手段と、
前記燃料電池スタックの冷媒の出口部における内部温度を推定または検出するスタック出口温度検出手段と、を備え、
前記暖機目標温度と前記燃料電池スタックの冷媒入口部における内部温度との温度差と、暖機初期の前記燃料電池スタックの内部温度と冷媒出口部における内部温度との温度差と、が等しくなったら前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックの冷媒入口部の冷媒の温度を検出する冷媒入口温度検出手段と、
前記燃料電池スタックの冷媒出口部の冷媒の温度を検出する冷媒出口温度検出手段と、
前記冷媒入口温度と前記冷媒出口温度から前記冷媒から前記燃料電池スタックへ移動した熱を算出する熱量算出手段と、を備え、
前記冷媒から前記燃料電池スタックへ移動した熱量が所定の値を超えたら前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックを暖機するまでに前記冷媒から移動する総熱量を算出する総熱量算出手段を備え、
前記冷媒から前記燃料電池スタックへ移動した熱量が前記総熱量の半分を超えたら前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項５に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックの冷媒入口部における内部温度を推定または検出するスタック入口温度検出手段と、
前記燃料電池スタックの冷媒出口部における内部温度を推定または検出するスタック出口温度検出手段と、を備え、
前記スタック入口温度検出手段と前記スタック出口温度検出手段との出力値の差が所定の値を超えたら、前記燃料電池スタック内の冷媒の流通方向を切替える請求項１に記載の燃料電池システム。
前記冷媒の流通方向を切替える間は、前記冷媒加熱手段において冷媒に移動する熱量を低減する請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記冷媒として不凍液を用いる請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。