JP2005166497A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 システムを複雑化することなく、冷却水経路に気泡が存在している場合にのみ冷却水経路中の気泡除去を行うことが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 ラジエータ１３内の圧力とラジエータ１３上部に接続されたリザーブタンク１６側の圧力との差が所定値を超えた場合、ラジエータ１３内の冷却水がリザーブタンク１６内に排出される。ラジエータ１３内の圧力がリザーブタンク１６側の圧力より高くなるように、ラジエータ１３内の圧力とリザーブタンク１６側の圧力との差圧を形成することが可能な差圧形成手段１８を設ける。燃料電池１０から流出した冷却水温度Ｔｆｏから燃料電池１０に流入する前の冷却水温度Ｔｆｉから引いた差が閾値を超えた場合に、差圧形成手段１８にてラジエータ１３内の圧力からリザーブタンク１６側の圧力を引いた差圧を所定値以上とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である

燃料電池システムには通常、燃料電池に熱媒体として冷却水を循環させて燃料電池を冷却する冷却システムが設けられている。冷却水が循環する冷却水経路には、初期組み付け時に気泡抜きが行われ冷却水が充填される。しかしながら、燃料電池システムの冷却水流路は複雑であるため、初期組み付け時に気泡抜きを完全に行うことが困難であり、冷却水流路中に気泡が残留することがある。また、冷却水経路中に設けられたウォータポンプの吸引部では負圧となるため、組み付け後にもジョイント等から空気が混入することがある。

このように冷却水経路中に気泡が混入した場合、冷却システムの冷却性能が低下する。この結果、燃料電池が高温となり破壊されるおそれがある。さらに冷却水経路中に存在する機器の駆動部に気泡が入り込んで駆動部が破壊されるおそれがある。

これに対し、熱媒体経路中から気泡を除去するものとして、燃料電池の冷媒供給マニホールドに空気抜き口を設け、冷媒供給マニホールドに供給する冷媒を空気抜き口側に流すことで、冷媒供給マニホールドから空気を排出する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料電池に温水を循環させて燃料電池を昇温させる燃料電池システムにおいて、温水経路中に空気抜き弁を設け、温水経路中から気泡を排除するものもある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−１５１５７５号公報 特開２００３−２２３９１３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、気泡の混入を判定していないため、気泡抜き処理が常時必要となるとともに、気泡を抜くための新たな経路が必要であり、システムが大型化し複雑化するという問題がある。また、上記特許文献２の燃料電池システムにおいても、気泡の混入を判定していないため、常時気泡抜き処理が必要となるとともに、空気を抜くための空気弁が新たに必要となるため、システム構成の複雑化や圧力損失の増大を招くこととなる。

本発明は、上記点に鑑み、システムを複雑化することなく、冷却水経路に気泡が存在している場合にのみ冷却水経路中の気泡除去を行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に循環する冷却水が通過する冷却水経路（１１）と、冷却水経路（１１）に設けられた冷却水循環ポンプ（１２）と、冷却水経路（１２）に設けられ、冷却水の放熱を行うラジエータ（１３）と、ラジエータ（１３）の上部に接続されたリザーブタンク（１６）と、ラジエータ（１３）内の圧力がリザーブタンク（１６）側の圧力より高くなるように、ラジエータ（１３）内の圧力とリザーブタンク（１６）側の圧力との差圧を形成することが可能な差圧形成手段（１８、２２）と、燃料電池に流入する前の冷却水温度（Ｔｆｉ）を検出する第１温度センサ（１９）と、燃料電池から流出した後の冷却水温度（Ｔｆｏ）を検出する第２温度センサ（２０）とを備え、ラジエータ（１３）内の圧力とリザーブタンク（１６）側の圧力との差が所定値を超えた場合、ラジエータ（１３）内の冷却水がリザーブタンク（１６）内に排出されるように構成されており、第２温度センサ（２０）にて検出した冷却水温度から第１温度センサ（１９）にて検出した冷却水温度（Ｔｆｏ）から引いた差が閾値を超えた場合に、差圧形成手段（１８、２２）にてラジエータ（１３）内の圧力からリザーブタンク（１６）側の圧力を引いた差圧を所定値以上とすることを特徴としている。

このように、燃料電池流入前と燃料電池流出後の冷却水温度の温度差と閾値とを比較することで冷却水経路（１１）中における気泡の存在を検出でき、冷却水経路（１１）中に気泡が存在している場合にのみ気泡除去を行うことができる。また、冷却水経路（１１）中から気泡を除去する際、従来から燃料電池システムに備えられているラジエータ（１３）とリザーブタンク（１６）を用いることで、システムを複雑化することなく、また圧力損失を増大させることなく気泡除去を行うことができる。なお、「リザーブタンク（１６）側の圧力」には、リザーブタンク（１６）内の圧力に加えて、ラジエータ（１３）とリザーブタンク（１６）とがパイプ等で接続されている場合にはパイプ内の圧力をも含んでいる。

また、請求項２に記載の発明のように、差圧形成手段を、冷却水経路（１１）におけるラジエータ（１３）の下流側であって冷却水循環ポンプ（１２）の上流側に設けられ、冷却水経路（１１）の流路断面積を調整可能な圧力調整弁（１８）から構成し、冷却水循環ポンプ（１２）が作動している際に、圧力調整弁（１８）で冷却水経路（１１）の流路断面積を小さくすることで、ラジエータ（１３）内の圧力からリザーブタンク（１６）側の圧力を引いた差圧を所定値以上とすることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、差圧形成手段を、ラジエータ（１３）とリザーブタンク（１６）とを接続するパイプ（１５）に設けられ、ラジエータ（１３）側を吸引可能な吸引ポンプ（２２）から構成することもできる。

また、請求項４に記載の発明のように、閾値を少なくとも燃料電池の発電量と冷却水循環ポンプの回転数とを用いて設定することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１、図２に基づいて説明する。図１は本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図であり、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用することができる。

図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、図示しない電気負荷や２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当する。

本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１０ａが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。固体高分子型燃料電池では、電解質膜の耐熱温度や効率の点から８０℃前後で運転する必要がある。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却するための冷却システムが設けられている。

冷却システムは、燃料電池１０に熱媒体としての冷却水を循環させる冷却水経路（熱媒体経路）１１、冷却水を圧送する冷却水循環ポンプ１２、冷却水の放熱を行うラジエータ（放熱器）１３等から構成されている。ラジエータ１３はラジエータファン１３ａを備える一般的なものであり、本体上部にアッパータンク１４が一体的に設けられている。アッパータンク１４には図示しないラジエータキャップが設けられ、ラジエータキャップにはパイプ１５を介してラジエータ１３と別体のリザーブタンク１６が接続されている。ラジエータキャップは一般的な加圧式であり、圧力弁と負圧弁を備えている。

ラジエータ１３内の圧力とリザーブタンク１６内の圧力との差が所定値以上となった場合にはラジエータキャップの圧力弁が開き、ラジエータ１３内の冷却水がアッパータンク１３ａからリザーブタンク１６に排出される。本第１実施形態では、アッパータンク１４にかかる圧力が所定開放圧力（本例では１０８ｋＰａ）以上となった場合にラジエータキャップが開放する。また、ラジエータ１３内が負圧となった場合にはラジエータキャップの負圧弁が開き、リザーブタンク１６内の冷却水がアッパータンク１４内に吸引される。

冷却水経路１１には冷却水をラジエータ１３をバイパスさせるためのバイパス経路１７が設けられている。冷却水経路１１とバイパス経路１７との分岐点には圧力調整弁１８が設けられている。圧力調整弁１８は、冷却水経路１１におけるラジエータ１３の下流側であって、冷却水循環ポンプ１２の上流側に設けられている。

圧力調整弁１８は、冷却水の温調機能と冷却水経路１１の流路断面積調整機能とを有している。圧力調整弁１８は、冷却水の温度調整を行うために、ラジエータ１３側に流れる冷却水流量とバイパス経路１７側に流れる冷却水流量とを調整可能に構成されている。さらに圧力調整弁１８は開度を調整することで、冷却水経路１１の流路断面積を調整することが可能に構成されている。冷却水循環ポンプ１２が作動している際に、圧力調整弁１８により冷却水経路１１の流路断面積を小さく、あるいは閉鎖することで、ラジエータ１３内の圧力を高くすることができる。なお、圧力調整弁１８は本発明の差圧形成手段を構成している。

冷却水経路１１における燃料電池１０の入口近傍には、燃料電池１０に流入する前の冷却水温度Ｔｆｉを検出するための第１温度センサ１９が設けられている。冷却水経路１１における燃料電池１０の出口近傍には、燃料電池１０から流出した後の冷却水温度Ｔｆｏを検出するための第２温度センサ２０が設けられている。

燃料電池システムには制御部３０が設けられており、第１温度センサ１９および第２温度センサ２０のセンサ信号は制御部３０に入力される。制御部３０は、温度センサ１９、２０のセンサ信号、燃料電池１０の発電量、冷却水循環ポンプ１２の回転数等に基づいて冷却水経路１１中に気泡が混入している否かの判定を行い、その結果に基づいて圧力制御弁１８に制御信号を出力するように構成されている。

冷却水経路１１中に気泡が混入している否かの判定は、燃料電池流出後の冷却水温度Ｔｆｏから燃料電池流入前の冷却水温度Ｔｆｉを引いた温度差（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）の理論値と実測値とを比較して行う。冷却水が燃料電池１０を通過する前後の温度差（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）の理論値は、燃料電池の発電量をＱ_FC、冷却水循環ポンプ１２の回転数から得られる冷却水流量をＶ_W、冷却水の密度をρ、冷却水の比熱をＣｐとした場合、下記数式１で求めることができる。
（数１）
（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）＝Ｑ_FC／（Ｖ_W・ρ・Ｃｐ）
本第１実施形態では、上記数式１から冷却水経路１１中に気泡が混入したか否かを判定する際の閾値をＱ_FC／（Ｖ_W・ρ・Ｃｐ）＋αと設定し、（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）の実測値が閾値を上回っている場合に冷却水経路１１中に気泡が混入したと判定する。ただしαは許容値である。

次に、本第１実施形態の制御部３０が行う冷却水経路１１からの気泡除去制御について図２のフローチャートに基づいて説明する。

まず、温度センサ１９、２０にて燃料電池流入前の冷却水温度Ｔｆｉと燃料電池流出後の冷却水温度Ｔｆｏを測定する（Ｓ１０）。次に、（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）の実測値が閾値を上回っているか否かを判定する（Ｓ１１）。この結果、（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）の実測値が閾値を上回っていない場合には気泡除去制御を終了する。

一方、（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）の実測値が閾値を上回っている場合には、（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）＞閾値の状態が所定時間Ｔ１維持されたか否かを確認する（Ｓ１２）。（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）＞閾値の状態が所定時間Ｔ１維持された場合は、冷却水循環ポンプ１２が作動していることを確認し（Ｓ１３）、圧力調整弁１８の開度を調整する（Ｓ１４）。圧力調整弁１８の開度を小さくして冷却水流路１１の流路断面積が小さくなるように調整し、ラジエータ１３のアッパータンク１４にかかる圧力を所定開放圧力以上とする。

圧力調整弁１８にてラジエータ１３のアッパータンク１４にかかる圧力を所定開放圧力以上にした状態を所定時間Ｔ２だけ継続する（Ｓ１５）。その後、圧力調整弁１８の開度を元に戻す（Ｓ１６）。その後、上記ステップＳ１１に戻る。

以上のように、燃料電池流入前の冷却水温度Ｔｆｉと燃料電池流出後の冷却水温度Ｔｆｏとの温度差と閾値とを比較することで冷却水経路１１中における気泡の存在を検出でき、冷却水経路１１中に気泡が存在している場合にのみ気泡除去を行うことができる。また、冷却水経路１１中から気泡を除去する際、従来から燃料電池システムに備えられているラジエータ１３とリザーブタンク１６を用いることで、システムを複雑化することなく、また圧力損失を増大させることなく気泡除去を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３、図４に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、ラジエータ１３内の圧力とリザーブタンク１６内の圧力との差圧を形成する差圧形成手段が異なるものである。

図３は、本第２実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。本第２実施形態では、上記第１実施形態の圧力調整弁１８に代え、冷却水の温調機能のみを有する温調弁２１を用いている。また、図３に示すように、本第２実施形態では、ラジエータ１３とリザーブタンク１６の間にラジエータ１３側を吸引可能な吸引ポンプ２２が設けられている。吸引ポンプ２２は、ラジエータ１３のアッパータンク１４とリザーブタンク１６とを接続するパイプ１５に設けられている。本第２実施形態では、吸引ポンプ２２を作動させることで、ラジエータ１３内の圧力とリザーブタンク１６側の圧力との差圧を、アッパータンク１４のラジエータキャップが開放する所定値以上にすることができる。なお、本第２実施形態において、「リザーブタンク１６側の圧力」は、ラジエータ１３のアッパータンク１４と吸引ポンプ２２との間のパイプ１５内の圧力を意味している。

図４は、本第２実施形態の制御部３０が行う冷却水経路１１からの気泡除去制御を示している。図４に示すように、本第２実施形態では上記第１実施形態と比較して、ステップＳ２４で吸引ポンプを作動させる点と、ステップＳ２６で吸引ポンプ２２を停止させる点が異なっている。

以上のような構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

第１実施形態の燃料電池システムの模式図である。 第１実施形態の気泡除去制御を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムの模式図である。 第２実施形態の気泡除去制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…冷却水経路、１２…冷却水循環ポンプ、１３…ラジエータ、１４…アッパータンク、１６…リザーブタンク、１８…圧力調整弁、１９…第１温度センサ、２０…第２温度センサ、２２…吸引ポンプ。

Claims (4)

1. 酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）に循環する冷却水が通過する冷却水経路（１１）と、
   前記冷却水経路（１１）に設けられた冷却水循環ポンプ（１２）と、
   前記冷却水経路（１２）に設けられ、冷却水の放熱を行うラジエータ（１３）と、
   前記ラジエータ（１３）の上部に接続されたリザーブタンク（１６）と、
   前記ラジエータ（１３）内の圧力が前記リザーブタンク（１６）側の圧力より高くなるように、前記ラジエータ（１３）内の圧力と前記リザーブタンク（１６）側の圧力との差圧を形成することが可能な差圧形成手段（１８、２２）と、
   前記燃料電池に流入する前の冷却水温度（Ｔｆｉ）を検出する第１温度センサ（１９）と、
   前記燃料電池から流出した後の冷却水温度（Ｔｆｏ）を検出する第２温度センサ（２０）とを備え、
   前記ラジエータ（１３）内の圧力と前記リザーブタンク（１６）側の圧力との差が所定値を超えた場合、前記ラジエータ（１３）内の冷却水が前記リザーブタンク（１６）内に排出されるように構成されており、
   前記第２温度センサ（２０）にて検出した冷却水温度（Ｔｆｏ）から前記第１温度センサ（１９）にて検出した冷却水温度（Ｔｆｉ）から引いた差が閾値を超えた場合に、前記差圧形成手段（１８、２２）にて前記ラジエータ（１３）内の圧力から前記リザーブタンク（１６）側の圧力を引いた差圧を前記所定値以上とすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記差圧形成手段は、前記冷却水経路（１１）における前記ラジエータ（１３）の下流側であって前記冷却水循環ポンプ（１２）の上流側に設けられ、前記冷却水経路（１１）の流路断面積を調整可能な圧力調整弁（１８）であり、
   前記冷却水循環ポンプ（１２）が作動している際に、前記圧力調整弁（１８）で前記冷却水経路（１１）の流路断面積を小さくすることで、前記ラジエータ（１３）内の圧力から前記リザーブタンク（１６）側の圧力を引いた差圧を所定値以上と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。
3. 前記差圧形成手段は、前記ラジエータ（１３）と前記リザーブタンク（１６）とを接続するパイプ（１５）に設けられ、前記ラジエータ（１３）側を吸引可能な吸引ポンプ（２２）であ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。
4. 前記閾値は、少なくとも前記燃料電池の発電量と冷却水循環ポンプの回転数とを用いて設定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
   

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