JP2005190881A - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の機能低下を防止する燃料電池の冷却装置を提供すること。
【解決手段】 燃料電池１とラジエータ１１との間で冷媒を循環させる冷媒流路１２と、冷媒流路１２を循環する冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段１６と、冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段２０とを備えた燃料電池の冷却装置において、冷媒流量制御手段２０は、燃料電池１へ導入される冷媒の温度が急冷されたことを冷媒温度検出手段１６が検出したときに、ラジエータ１１に導入される冷媒の流量を増大させる制御を行うことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷媒を用いて燃料電池を冷却する燃料電池の冷却装置に関する。

燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極と、冷媒が供給される冷媒通路とを備えたものがある。この燃料電池においては、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水を生成する。

ところで、燃料電池の発電には発熱を伴うが、燃料電池には適切な作動温度範囲（例えば固体高分子膜型燃料電池であれば８０℃程度）があるため、燃料電池が上限温度以上に昇温しないように冷却する必要がある。そのため、燃料電池の発電量に比例した冷媒量を流して熱を奪い燃料電池を冷却する冷却装置が設けられている。
この燃料電池の冷却装置には、冷媒として例えば純水またはエチレングリコール水を用い、この冷媒を燃料電池と放熱器（ラジエータ）との間で循環させるようにしたものがある。この冷却装置では、燃料電池から熱を奪って熱せられた冷媒が放熱器を流れる際に、冷媒の熱を外気に放熱して冷媒を冷却している。

この種の装置として、例えば特許文献１にあるように、燃料電池の入口及び出口における冷媒の温度をそれぞれ測定し、それらの温度差が所定値以上あるときに、ポンプの駆動電圧を上昇させて燃料電池の内部温度を平均化させるものがある。
また、この種の装置として、冷媒を循環させる冷媒流路にラジエータをバイパスするバイパス通路を設けるとともに、ラジエータの出口とバイパス通路の出口との接続位置に流量制御用可変バルブを設けたものがある。この装置は、ある程度冷却された冷媒がラジエータを通過して冷却されすぎないように、流量制御用可変バルブを切替えて冷媒をラジエータではなくバイパス通路に導入することによって、ラジエータによる冷媒の冷却を回避できるようになっている。
特開平１０−３４０７３４号公報

しかしながら、例えば、燃料電池車両が下り坂を高速で走行する場合には、燃料電池の発電量が低下するとともに、それに比例し冷媒を燃料電池へ流す流量を減らすため、ラジエータ内での放熱時間が延びてしまい、冷媒がラジエータによって急冷されることがあった。この急冷された冷媒が燃料電池へ導入されることにより、燃料電池の入口と出口との冷媒の温度差が拡大して、燃料電池の機能が低下してしまう。
さらに、流量制御用可変バルブを用いてラジエータに導入される冷媒量を制限することも検討されているが、その流量制御用可変バルブはその応答性に未だ課題がある。例えば、流量制御用可変バルブにサーモスタットを用いた場合には、その内部に介在したワックス等に熱を伝達することによって流路を切替えるので、ワックスに熱が伝わるまでに時間がかかり、その間はラジエータに冷媒が供給され続け、十分に冷却された冷媒が燃料電池へ供給されてしまっていた。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、燃料電池の機能低下を防止する燃料電池の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち請求項１に係る燃料電池の冷却装置は、燃料電池（例えば実施形態における燃料電池１）とラジエータ（例えば実施形態におけるラジエータ１１）との間で冷媒を循環させる冷媒流路（例えば実施形態における冷媒流路１２）と、前記冷媒流路を循環する前記冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段（例えば実施形態における温度センサ１６）と、前記冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段（例えば実施形態におけるＥＣＵ２０）とを備えた燃料電池の冷却装置において、前記冷媒流量制御手段は、前記燃料電池へ導入される冷媒の温度が急冷されたことを前記冷媒温度検出手段が検出したときに、前記ラジエータに導入される前記冷媒の流量を増大させる制御を行うことを特徴とする。

冷媒の温度がラジエータに冷却されて燃料電池へ導入される冷媒が急冷したことを冷媒温度検出手段が検出したときに、冷媒流量制御手段がラジエータへ導入させる冷媒の流量を増大させる制御を行うことで、ラジエータに導入され冷却され得る冷媒の流量が増量される。そのため、ラジエータに導入された冷媒の放熱が緩和され、冷媒が冷却されにくくなる。

また、請求項２に係る燃料電池の冷却装置において、前記冷媒流路には、前記冷媒流路と前記ラジエータをバイパスするバイパス通路（例えば実施形態におけるバイパス通路１４）とを切替える流路切替手段（例えば実施形態における流量制御用可変バルブ１５）が設けられ、前記冷媒流量制御手段は、前記流路切替手段によって前記冷媒流路が前記バイパス流路に切替ったときに、前記ラジエータに導入させる冷媒の流量を増大させる制御を解除することを特徴とする。

冷媒流路を循環する冷媒は、ラジエータを通過しなくなるため、冷媒が急冷されることはない。この場合には、冷媒流量制御手段が冷媒の流量を増大させる制御を行う必要がなくなるため、冷媒の流量を増大させる制御を解除することとなる。

また、請求項３に係る燃料電池の冷却装置は、前記冷媒の流量を増大させる制御の解除を、前記冷媒の流量を増大させてから所定時間の間、禁止することを特徴とする。

冷媒の流量を増大させる制御の解除を、冷媒の流量を増大させてから所定時間の間禁止することで、冷媒の流量を増大させる制御の開始及び解除が交互に繰り返されるハンチングを防止できる。

請求項１に係る燃料電池の冷却装置によれば、ラジエータに導入された冷媒が冷却されにくくなり、したがって、燃料電池の入口と出口との冷媒の温度差が生じにくくなるので、燃料電池の機能低下を防止することができる。
また、請求項２に係る燃料電池の冷却装置によれば、冷媒が急冷されない状態に移行したときは、冷媒の流量を増大させる制御を行わないようにしたので、省エネルギー化を図ることができる。
また、請求項３に係る燃料電池の冷却装置によれば、冷媒冷却の流量を増大させる制御の解除を、冷媒の流量を増大させてから所定時間の間禁止するので、冷媒の流量を増大させる制御の開始及び解除が交互に繰り返されるハンチングを防止できる。

以下、本発明に係る燃料電池の冷却装置についての第１の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、この実施形態における燃料電池スタックは、燃料電池車両に搭載された態様である。
図１は燃料電池の冷却装置の概略構成図である。燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなり、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極と、冷媒が供給される冷媒通路とを備えている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。また、この発電に伴う発熱により燃料電池１が上限温度を越えないように、前記冷媒通路を流れる冷媒で熱を奪い冷却するようになっている。なお、この図において、水素ガス及び空気の各供給系の詳細な図示は省略されている。

また、燃料電池１を冷却するための冷媒は、燃料電池１に供給され、燃料電池１内の冷媒通路を通る際に燃料電池１から熱を奪って燃料電池１を冷却し、これにより熱せられた冷媒はウォーターポンプ１３によって昇圧されてラジエータ１１に送られ、ラジエータ１１において外部に放熱することにより冷媒は冷却され、再び燃料電池１に供給されるようになっている。すなわち、冷媒は、ウォーターポンプ１３と燃料電池１とラジエータ１１とを閉回路に接続する冷媒流路１２を循環するようになっている。このとき、冷媒の温度は６０〜７０℃程度であり、冷媒によって燃料電池１の発電に伴う発熱を抑制して、燃料電池１を８０℃程度に維持している。
なお、ウォーターポンプ１３は、燃料電池の冷却装置に設けられた制御部（ＥＣＵ）２０によって作動を制御できるようになっている。また、このＥＣＵ２０は、冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段としての機能を有している。
このとき、燃料電池１の発熱が燃料電池１の発電電流量に比例して増減する。したがって、燃料電池の発電電流が大きいときには燃料電池１の発熱が多くなるため、ＥＣＵ２０が、燃料電池１へ供給する冷媒の流量を増大させるようにウォーターポンプ１３を制御する。逆に、燃料電池の発電電流が小さいときには燃料電池１の発熱が少なくなるため、ＥＣＵ２０が、燃料電池１へ供給する冷媒の流量を減少させるようにウォーターポンプ１３を制御する。

冷媒を循環させる冷媒流路１２には、ラジエータ１１をバイパスするバイパス通路１４が設けられている。また、ラジエータ１１の出口とバイパス通路１４の出口との接続位置には、流路切替手段として流量制御用可変バルブ１５が設けられている。この流量制御用可変バルブ１５は、ＥＣＵ２０からの指示によって開閉可能となるように制御されており、冷媒の過冷却を防止するために冷媒をラジエータ１１ではなくバイパス通路１４に導入する場合、ＥＣＵ２０からの指示によってラジエータ１１から燃料電池１の入口側への流路が全開から全閉の状態に切替えられるとともに、流量制御用可変バルブ１５から燃料電池１の入口側への流路が全閉から全開の状態に切替えられる。なお、この流量制御用可変バルブ１５には、冷媒をラジエータ１１あるいはバイパス通路１４に導入するために、内部に介在したワックス等に熱を伝達し、その熱による膨張を利用して弁の開閉を操作することで流路を切替えるサーモスタットが用いられる。流量制御用可変バルブ１５としては、サーモスタット以外には電磁弁等を利用できる。
また、この流量制御用可変バルブ１５は、開閉状態をＥＣＵ２０に送信できるようになっている。

また、冷媒流路１２において、燃料電池１の入口及び出口には、それぞれ冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段として温度センサ１６，１７が設けられている。これら温度センサ１６，１７は、検出した冷媒の温度をＥＣＵ２０に送信できるようになっている。
また、燃料電池１には、燃料電池１の発電電流値を検出する電流センサ１８が接続されている。この電流センサ１８は、検出した発電電流値をＥＣＵ２０に送信できるようになっている。

次に、上記の構成からなる燃料電池の冷却装置の機能および作用について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイムチャートを用いて説明する。
燃料電池１が発電したとき、燃料電池１の発電量を電流値として電流センサ１８で検出する（ステップＳ１）。この電流値に基づいてウォーターポンプ１３の稼動がＥＣＵ２０により制御されて、冷媒流路１２内に流れる冷媒の流量が制御される（ステップＳ２）。

ここで、燃料電池の冷却装置における電流値、冷媒流量、及び冷媒温度について、図３を用いて説明する。
燃料電池１の発電量を示す電流値は、燃料電池車両の発進、加減速あるいは停止を繰り返すことによって上昇あるいは低下を繰り返しながら変化するが、例えば燃料電池車両が長い下り坂を走行する場合には、図３（ｃ）における区間Ａに示すように、低下し続ける。このとき、電流値の低下とともにウォーターポンプ１３の稼動が抑制され、図３（ｂ）における区間Ａに示すように、冷媒流路１２内に流れる冷媒の流量が減少する。
一方、この冷媒は、ラジエータ１１を通過してラジエータ１１によって冷却され続けながら冷媒流路１２を循環する。このとき、燃料電池１の発電量が少ないため、燃料電池１の発電による冷媒の温度上昇は少ない。したがって、図３（ａ）における区間Ｂに示すように、流量制御を行わない場合には冷媒の冷却が加速されることとなる。

ステップＳ２の後、冷媒流路１２を循環する冷媒の燃料電池１の入口側における温度を温度センサ１６によって検出する（ステップＳ３）。そして、ＥＣＵ２０は、この検出温度と前回の検出温度に基づき、燃料電池１の入口側における冷媒の温度変化量、すなわち単位時間例えば１秒あたりに低下した温度を算出する（ステップＳ４）。その温度変化量が所定の温度以上、例えば４℃以上低下した場合（ステップＳ５で「ＹＥＳ」）、冷媒が急冷したと判断する（ステップＳ５）。冷媒が急冷したと判断しない場合（ステップＳ５で「ＮＯ」）には、ステップＳ１に戻る。
冷媒が急冷した場合、ＥＣＵ２０は流量制御用可変バルブ１５が全閉状態であるか否かを判断する（ステップＳ６）。

流量制御用可変バルブ１５が全閉状態でない場合、すなわち冷媒がラジエータ１１を通過可能となっている場合（ステップＳ７で「ＮＯ」）、ＥＣＵ２０からの指令により流量制御用可変バルブ１５の閉鎖を開始する（ステップＳ８）。
ここで、燃料電池１が発電した場合を考慮して、冷媒が急冷したときに増大すべき冷媒の流量（以下、「急冷時増大流量」）と、燃料電池１の発電量の電流値に対応する冷媒の流量（以下、「通常時流量」）とを比較し、急冷時増大流量が通常時流量より多くなるか否かを判断する（ステップＳ９）。

冷媒が急冷したときに増大すべき冷媒の流量が、燃料電池１の発電量の電流値に対応する冷媒の流量より多い場合（ステップＳ９で「ＹＥＳ」）、図３（ｂ）の区間Ｂに示すように、ＥＣＵ２０はウォーターポンプ１３に対して一定時間、冷媒の流量を増大させる制御、すなわち冷媒流量の下限値を上昇させる制御を行う（ステップＳ１０）。
このように、ラジエータ１１へ導入させる冷媒の流量を増大させることで、ラジエータ１１による冷媒の放熱を緩和することができる。これによって燃料電池１に導入される冷媒の急冷を抑制することができる。
さらに、一定時間冷媒の流量を増大させる制御、言い換えれば冷却の流量を増大させる制御の解除を所定時間禁止する制御を行うことで、冷媒の温度変化に起因する急冷時増大流量と通常時流量とが繰り返されるハンチングを防止できる。すなわち、ラジエータ１１へ導入させる冷媒の流量を増大した際に、冷媒の温度がすぐには安定しないことがあり、安定するまでの間は冷媒の流量を変化させない状態としておく。なお、この一定の時間は予め設定しておくことが好ましい。
一方、冷媒が急冷したときに増大すべき冷媒の流量が、燃料電池１の発電量の電流値に対応する冷媒の流量より少ない場合（ステップＳ９で「ＮＯ」）には、ラジエータ１１に導入される冷媒の流量が十分確保されており、その流量に対応してウォーターポンプ１３が稼動することとなるため、冷媒の急冷が速やかに解除されることから、ステップＳ１に戻る。
また、ステップＳ７において、流量制御用可変バルブ１５が全閉状態である場合、すなわち冷媒がバイパス通路１４を通過している場合には、冷媒が急冷するおそれがないため、そのまま終了する。

この実施の形態において、ＥＣＵ２０が、燃料電池１の入口に設けられた温度センサ１６の値に基づき、冷媒の温度が所定の温度変化量以上低下したと判断したときに、ウォーターポンプ１３に対して冷媒の流量を増大させる制御を行うことで、ラジエータ１１に導入され冷却され得る冷媒の流量が増大される。そのため、ラジエータ１１に導入された冷媒の放熱が緩和され、図３（ａ）に示すように、冷媒が急冷されることに伴う燃料電池１の入口及び出口間の冷媒温度差が開いてしまうことを防止することができる。そのため、冷媒温度差が開くことによる燃料電池１の機能低下を防止することができる。

また、冷媒流路１２を循環する冷媒は、バイパス通路１４を通過したときにはラジエータ１１を通過しなくなるため、急冷されることはない。したがって、ＥＣＵ２０が冷媒の流量を増大させる制御を行う必要がなくなるため、冷媒の流量を増大させる制御を解除することとなり、省エネルギー化を図ることができる。

図４は、本発明に係る燃料電池の冷却装置についての第２の実施の形態を示す図である。なお、図４においては、上記第１の実施の形態における図１と異なる構成要素について、燃料電池１の入口に設けられた温度センサ１６が、ラジエータ１１の出口に設けられた温度センサ１９に置き換えられている。それ以外の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。

上記の構成からなる燃料電池の冷却装置の機能および作用について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。
ステップＳ１〜ステップＳ２については、上記第１の実施の形態と同様であるため、その説明を省略する。
ステップＳ２の後、冷媒流路１２を循環する冷媒のラジエータ１１の出口側における温度を温度センサ１９によって検出する（ステップＳ３’）。そして、ＥＣＵ２０は、温度センサ１９で検出した冷媒の温度が所定の温度、例えば５５℃を下回った場合（ステップＳ５’で「ＹＥＳ」）、冷媒が過冷却状態であると判断する（ステップＳ５’）。冷媒が過冷却状態であると判断しない場合（ステップＳ５’で「ＮＯ」）には、ステップＳ１に戻る。
冷媒が過冷却状態である場合、ＥＣＵ２０は、流量制御用可変バルブ１５が全閉状態であるか否かを判断する（ステップＳ７）。
ステップＳ７以降については、上記実施の形態と同様であるため、その説明を省略する。

この実施の形態において、ＥＣＵ２０が、ラジエータ１１の出口に設けられた温度センサ１９の値に基づき、冷媒の温度が所定の温度を下回ったと判断したときに、ラジエータ１１に導入させる冷媒の流量を増大させる制御を行うことで、ラジエータ１１に導入され冷却され得る冷媒の流量が増大される。そのため、ラジエータ１１に導入された冷媒の放熱が緩和され、冷媒が冷却されにくくなり、所定の温度を下回らなくなる。これにより、図３（ａ）に示すように、冷媒が急冷されることに伴う燃料電池１の入口及び出口間の冷媒温度差が開いてしまうことを防止することができる。
第２の実施の形態においては、特にラジエータ１１の出口に設けられた温度センサ１９によって、冷媒温度の急冷を検知することができるので、制御の簡素化が図れる。さらに、上記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

本発明における第１の実施の形態に係る燃料電池の冷却装置の概略構成図である。 本発明における第１の実施の形態に係る燃料電池の冷却装置の制御方法を示すフローチャートである。 本発明における第１の実施の形態に係る燃料電池の冷却装置の制御方法に関するタイムチャートであり、（ａ）は冷媒温度、（ｂ）は冷媒流量、（ｃ）は電流値を示すタイムチャートである。 本発明における第２の実施の形態に係る燃料電池の冷却装置の概略構成図である。 本発明における第２の実施の形態に係る燃料電池の冷却装置の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１１ ラジエータ
１２ 冷媒流路
１３ ウォーターポンプ
１４ バイパス通路
１５ 流量制御用可変バルブ（流路切替手段）
１６ 温度センサ（冷媒温度検出手段）
２０ ＥＣＵ（冷媒流量制御手段）

Claims (3)

1. 燃料電池とラジエータとの間で冷媒を循環させる冷媒流路と、
   前記冷媒流路を循環する前記冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
   前記冷媒の流量を制御する冷媒流量制御手段とを備えた燃料電池の冷却装置において、
   前記冷媒流量制御手段は、前記燃料電池へ導入される冷媒の温度が急冷されたことを前記冷媒温度検出手段が検出したときに、前記ラジエータに導入される前記冷媒の流量を増大させる制御を行うことを特徴とする燃料電池の冷却装置。
2. 前記冷媒流路には、前記冷媒流路と前記ラジエータをバイパスするバイパス通路とを切替える流路切替手段が設けられ、
   前記冷媒流量制御手段は、前記流路切替手段によって前記冷媒流路が前記バイパス流路に切替ったときに、前記ラジエータに導入させる冷媒の流量を増大させる制御を解除することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の冷却装置。
3. 前記冷媒の流量を増大させる制御の解除を、前記冷媒の流量を増大させてから所定時間の間、禁止することを特徴とする請求項２記載の燃料電池の冷却装置。

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