JP2005190704A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池を通過する前後の冷却水温度の温度差が所定値以上となった場合に、冷却水経路への気泡混入とそれ以外の異常発生とを区別して検出することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１０に流入する前後の冷却水温度Ｔｆｉ、Ｔｆｏを検出する第１、第２温度センサ１９、２０と、冷却水経路１１中から気泡を除去する気泡除去手段１３、１６、１８と、冷却水経路１１中から気泡が除去できたか否かを判定する気泡除去判定手段Ｓ１７、Ｓ１８とを設け、第２温度センサ２０にて検出した冷却水温度Ｔｆｏから第１温度センサ１９にて検出した冷却水温度Ｔｆｉを引いた差が閾値を超えた場合、気泡除去手段１３、１６、１８による気泡除去処理を行った後に気泡除去判定手段Ｓ１７、Ｓ１８により冷却水経路１１中から気泡が除去できたか否かを判定する。
【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の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。このような冷却システムが設けられた燃料電池システムにおいて、燃料電池を通過する前後の冷却水の温度差が所定値以上となった場合に異常が発生したと判定し、システムを停止するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１０９６３７号公報

上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、冷却水経路に気泡が混入した場合にも燃料電池通過後の冷却水の温度が上昇するため、システム異常が発生したと判定してシステムを停止してしまう。しかしながら、冷却水経路への気泡混入はそれ以外のシステム異常と異なり、気泡除去処理を行うことで短時間で復帰可能であるため、このような場合にもシステムを停止してしまうのは不都合である。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池を通過する前後の冷却水温度の温度差が所定値以上となった場合に、冷却水経路への気泡混入とそれ以外の異常発生とを区別して検出する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、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、冷却水経路（１１）中からの気泡除去処理を行う気泡除去手段（１３、１６、１８）と、冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたか否かを判定する気泡除去判定手段（Ｓ１７、Ｓ１８）とを備え、第２温度センサ（２０）にて検出した冷却水温度（Ｔｆｏ）から第１温度センサ（１９）にて検出した冷却水温度（Ｔｆｉ）を引いた差が閾値を超えた場合、気泡除去手段（１３、１６、１８）による気泡除去を行った後に気泡除去判定手段（Ｓ１７、Ｓ１８）により冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたか否かを判定することを特徴としている。

このように、燃料電池（１０）を通過する前後の冷却水温度差が閾値を超えている場合に気泡除去処理を行い、気泡除去処理を行った後に冷却水経路（１１）から気泡が除去できたか否かを判定することで、燃料電池（１０）を通過する前後の冷却水温度差が閾値を超えた原因が気泡混入によるものか、あるいはそれ以外のシステム異常によるものかを区別して検出することができる。

また、請求項２に記載の発明では、気泡除去手段は、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）とを有し、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（Ｔｆｏ）から第１温度センサ（１９）にて検出した冷却水温度（Ｔｆｉ）を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ことを特徴としている。

このように、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。

また、請求項３に記載の発明のように、気泡除去判定手段を、第２温度センサ（２０）にて検出した冷却水温度（Ｔｆｏ）から第１温度センサ（１９）にて検出した冷却水温度（Ｔｆｉ）を引いた差が閾値を超えていない場合に、冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたと判定するように構成することができる。

また、請求項４に記載の発明のように、リザーブタンク（１６）内の冷却水の水位を検出するレベルセンサ（１６ａ）を備え、気泡除去判定手段は、レベルセンサ（１６ａ）にて検出した水位が、気泡除去手段による気泡除去処理の前後で変化しなかった場合に、冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたと判定するように構成することができる。

また、請求項５に記載の発明のように、リザーブタンク（１６）内の気泡を検出する気泡検出センサ（１６ｂ）を備え、気泡除去判定手段は、気泡検出センサ（１６ｂ）にて気泡が検出できた場合に、冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたと判定するように構成することができる。

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。

以下、本発明の一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、ラジエータ１３、リザーブタンク１６、圧力調整弁１８は本発明の気泡除去手段と構成し、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か否かの判定を行い、その結果に基づいて圧力調整弁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か否かの判定は、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。図２のフローチャートは、制御部３０がＲＯＭ等の記憶媒体に格納されている制御プログラムに基づいて行う処理内容を示している。

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だけ継続し（Ｓ１５）、圧力調整弁１８の開度を元に戻す（Ｓ１６）。

次に、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を測定し（Ｓ１７）、（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）の実測値が閾値を上回っているか否かを判定する（Ｓ１８）。なお、これらのステップＳ１７、Ｓ１８の処理が本発明の気泡除去判定手段に相当している。

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、冷却水経路１１中から気泡が除去できたものと判定して、そのまま終了する。すなわち、上記ステップＳ１１で（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）＞閾値と判定されたのは冷却水経路１１中への気泡混入が原因であり、上記ステップＳ１３〜Ｓ１５の気泡除去処理により冷却水経路１１中の気泡が除去できた結果、（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）＞閾値ではなくなったものと推測できる。

一方、（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）の実測値が閾値を超えている場合には、冷却水経路１１から気泡が除去できなかったものと判定して、燃料電池システムを停止する（Ｓ１９）。すなわち、上記ステップＳ１１で（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）＞閾値と判定されたのは冷却水経路１１中への気泡混入以外のシステム異常が原因であるため、上記ステップＳ１３〜Ｓ１５の気泡除去処理を行っても気泡混入以外のシステム異常が解消されず、依然として（Ｔｆｏ−Ｔｆｉ）＞閾値であるものと推測できる。

以上のように、燃料電池１０を通過する前後の冷却水温度差が閾値を超えている場合に気泡除去処理を行い、気泡除去処理を行った後に冷却水経路１１から気泡が除去できたか否かを判定することで、燃料電池１０を通過する前後の冷却水温度差が閾値を超えた原因が気泡混入によるものか、あるいはそれ以外のシステム異常によるものかを区別して検出することができる。これにより、燃料電池１０を通過する前後の冷却水温度差が閾値を超えた原因が気泡混入である場合には燃料電池システムを停止せず、気泡混入以外のシステム異常が発生した場合にのみ燃料電池システムを停止するように構成することができる。

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。

（他の実施形態）
上記実施形態では、気泡除去判定手段において、温度センサ１９、２０にて検出した燃料電池１０を通過する前後の冷却水温度差が減少した場合に、冷却水経路１１からに気泡が除去できたと判定したが、気泡除去判定手段を以下のように構成することもできる。

図３はリザーブタンク１６の構成の変形例を示している。図３（ａ）はリザーブタンク１６内の冷却水の水位を検出するレベルセンサ１６ａをリザーブタンク１６に設けた例、図３（ｂ）はリザーブタンク１６内における気泡を検出する気泡検出センサ１６ｂをリザーブタンク１６に設けた例を示している。これらのセンサ信号は制御部３０に入力する。

まず、図３（ａ）に示すように、リザーブタンク１６にレベルセンサ１６ａを設けた構成において、制御部３０ではレベルセンサ１６ａにて検出した水位が変化しなかった場合に、冷却水経路１１から気泡が除去できたものと判定することができる。すなわち、冷却水経路１１中に気泡が混入している場合には、気泡除去処理によりリザーブタンク１６に気泡が排出されるので、リザーブタンク１６内の水位は変化しない。このため、気泡除去処理を行う前後においてリザーブタンク１６内の冷却水の水位が変化しない場合には、冷却水経路１１から気泡が除去できたものと判定できる。逆に、気泡除去処理を行う前後においてリザーブタンク１６内の冷却水の水位が変化した場合には、冷却水経路１１から気泡が除去できなかったものと判定でき、気泡混入以外のシステム異常が発生していると判定できる。

次に、図３（ｂ）に示すように、リザーブタンク１６に気泡検出センサ１６ｂを設けた構成において、制御部３０では気泡検出センサ１６ｂにより気泡が検出された場合に、冷却水経路１１から気泡が除去できたものと判定することができる。逆に、気泡検出センサ１６ｂにより気泡が検出されなかった場合には、冷却水経路１１から気泡が除去できなかったものと判定でき、気泡混入以外のシステム異常が発生していると判定できる。

なお、上述した気泡除去判定手段はそれぞれ単独で用いてもよく、適宜組み合わせて用いてもよい。

また、冷却水経路１１中への気泡混入以外のシステム異常としては、例えば（１）冷却水循環ポンプ１２の故障により冷却水循環流量が減少した場合、（２）冷却水が配管等から漏れて減少した場合、（３）温度センサ１９、２０の異常が発生した場合等がある。冷却水経路１１中への気泡混入以外のシステム異常が発生した場合、以下のように故障診断することができる。

まず、気泡除去処理により気泡が除去できず、かつ、冷却水循環ポンプ１２の実際の回転数が指令回転数と一致していない場合には、上記（１）の冷却水循環ポンプ１１の故障と特定できる。また、気泡除去処理により気泡が除去されたことを検出できるが、燃料電池１０の通過前後の冷却水温度差があまり変化しない場合には、大量の気泡が混入していると推測できるため上記（２）の冷却水漏れと特定できる。さらに、気泡除去処理により気泡が除去できず、かつ、燃料電池１０の通過前後の冷却水温度差が変化しない若しくは増加する場合には温度センサ異常と特定できる。

上記実施形態の燃料電池システムの模式図である。 上記実施形態の気泡除去制御を示すフローチャートである。 上記実施形態の変形例におけるリザーブタンクの構成を示す概念図である。

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、１６ａ…レベルセンサ、１６ｂ…気泡検出センサ、１８…圧力調整弁、１９…第１温度センサ、２０…第２温度センサ。

Claims (5)

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、
   前記冷却水経路（１１）中からの気泡除去処理を行う気泡除去手段（１３、１６、１８）と、
   前記冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたか否かを判定する気泡除去判定手段（Ｓ１７、Ｓ１８）とを備え、
   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）を引いた差が閾値を超えた場合、前記気泡除去手段（１３、１６、１８）による気泡除去処理を行った後に前記気泡除去判定手段（Ｓ１７、Ｓ１８）により前記冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたか否かを判定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記気泡除去手段は、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）とを有し、
   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）を引いた差が閾値を超えた場合に、前記差圧形成手段（１８）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請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記気泡除去判定手段は、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）を引いた差が前記閾値を超えていない場合に、前記冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたと判定するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記リザーブタンク（１６）内の冷却水の水位を検出するレベルセンサ（１６ａ）を備え、
   前記気泡除去判定手段は、前記レベルセンサ（１６ａ）にて検出した水位が、前記気泡除去手段による気泡除去処理の前後で変化しなかった場合に、前記冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたと判定するように構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記リザーブタンク（１６）内の気泡を検出する気泡検出センサ（１６ｂ）を備え、
   前記気泡除去判定手段は、前記気泡検出センサ（１６ｂ）にて気泡が検出できた場合に、前記冷却水経路（１１）中から気泡が除去できたと判定するように構成されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
   

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