JP2006216302A

JP2006216302A - 燃料電池の冷却システムおよび冷却方法

Info

Publication number: JP2006216302A
Application number: JP2005026347A
Authority: JP
Inventors: Isamu Kazama; 勇風間; Mitsunori Kumada; 光徳熊田; Kazuhiko Okino; 一彦沖野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】燃料電池スタックから排出される高温のカソードオフガスを利用して、熱交換器内で冷媒液が凍結するのを防止できる燃料電池の冷却システムを提供する。
【解決手段】カソードオフガス排出流路１８から分岐したカソードオフガス分岐流路４０の排出口４０ａを、冷媒液循環経路３０に設けた熱交換器３２の近傍である前方に配置し、冷媒液凍結予測手段４２によって熱交換器３２内の冷媒液の凍結を予測した場合に、カソードオフガス流路切換え手段としてのカソードオフガス切換え３方弁４１をカソードオフガス分岐流路４０側に切り換えることにより、高温のカソードオフガスを熱交換器３２に供給して、熱交換器３２内で冷却水が凍結するのを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックを冷却する冷媒液循環経路に、外部空気による熱交換方式の熱交換器と、この熱交換器をバイパスするバイパス流路と、が設けられた燃料電池の冷却システムおよび冷却方法に関する。

車両に搭載される燃料電池は、燃料電池スタックに冷媒液循環経路を設けて、この循環経路に冷却水などの冷媒液を循環させることにより、燃料電池スタックの温度上昇を抑制するようにしたものが提案されている。そして、この冷媒液循環経路には、外部空気による熱交換方式の熱交換器（ラジエータ）を設けて加熱された冷媒液を冷却するようになっており、この場合、燃料電池スタックの温度が低温の場合は、冷媒液循環経路を循環する冷媒液が前記熱交換器をバイパスするバイパス流路を通過するように制御される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−８３６２１号公報（第４，５頁、第１図）

しかしながら、かかる従来の燃料電池の冷却システムは、外気温度が低くて燃料電池スタックが低温状態である場合、冷媒液循環経路を循環する冷媒液はパイパス流路を流れることになるため、熱交換器に溜まった冷媒液は外気によって更に冷却されることになり、その冷媒液が熱交換器内で凍結されてしまう恐れがある。

このように熱交換器内で冷媒液が凍結すると、燃料電池スタックが温度上昇して冷媒液循環経路の流路を熱交換器側に切り換えた場合に、冷媒液が熱交換器を通過し辛くなって燃料電池スタックの冷却効率が低下される。

そこで、本発明は燃料電池スタックから排出される高温のカソードオフガスを利用して、熱交換器内で冷媒液が凍結するのを防止できる燃料電池の冷却システムおよび冷却方法を提供するものである。

本発明の燃料電池の冷却システムは、燃料電池スタックを冷却する冷媒液循環経路に、外部空気による熱交換方式の熱交換器と、この熱交換器をバイパスするバイパス流路と、熱交換器またはバイパス流路への冷媒液の流れを切り換える冷媒液流路切換え手段と、を備え、前記燃料電池スタックの温度に応じて冷媒液流路切換え手段を切換え制御する燃料電池の冷却システムにおいて、前記燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスを車外に排出するカソードオフガス排出流路と、前記カソードオフガス排出流路から分岐して、前記熱交換器の近傍に排出口を配置したカソードオフガス分岐流路と、前記熱交換器内の冷媒液の凍結を予測する冷媒液凍結予測手段と、前記冷媒液凍結予測手段で予測した結果に基づいて、前記カソードオフガス排出流路または前記カソードオフガス分岐流路へのカソードオフガスの流れを切り換えるカソードオフガス流路切換え手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池の冷却方法は、燃料電池スタックを冷却する冷媒液循環経路に、外部空気による熱交換方式の熱交換器と、この熱交換器をバイパスするバイパス流路と、熱交換器またはバイパス流路への冷媒液の流れを切り換える冷媒液流路切換え手段と、を備え、前記燃料電池スタックの温度に応じて冷媒液流路切換え手段を切換え制御する燃料電池において、前記熱交換器内の冷媒液の凍結を予測した場合に、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスを、上記熱交換器の前方に供給することを特徴とする。

本発明の燃料電池の冷却システムおよび冷却方法によれば、冷媒液循環経路に設けた熱交換器内の冷媒液の凍結が予測された場合に、燃料電池スタックから排出される高温のカソードオフガスが上記熱交換器に供給されるので、その熱交換器に導入される外部空気とともに高温の前記カソードオフガスが熱交換器を通過するので、そのカソードオフガスの熱で熱交換器内の冷却水を温め、冷却水の凍結を防止する。

従って、燃料電池スタックの温度が低温状態から上昇して冷媒液が熱交換器に流れる状態になった場合にも、熱交換器内をスムーズに冷媒液が流通して燃料電池スタックの冷却効率が低下されるのを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

（第１実施形態）
図１，図２は本発明にかかる燃料電池の冷却システムおよび冷却方法の第１実施形態を示し、図１は冷却システム全体の概略構成図、図２はカソードオフガス流路切換え手段の制御を示すフローチャートである。

本実施形態の燃料電池１０は、図１に示すように構成されて自動車などの車両に駆動源として搭載される場合を示す。

上記燃料電池１０は、酸素極１１と水素極１２とを備えた燃料電池スタック１３を備え、酸素極１１には空気コンプレッサ１４から空気（酸素）がカソードガス供給流路１５を介して供給されるとともに、水素極１２には水素タンク１６から水素がアノードガス供給流路１７を介して供給される。

酸素極１１を通過したカソードオフガスはカソードオフガス排出流路１８を介して車外に放出されるとともに、水素極１２を通過したアノードオフガスはアノードオフガス排出流路１９から排出され、このアノードオフガス排出流路１９から分岐した水素循環流路２０を前記アノードガス供給流路１７に接続してある。

前記カソードガス供給流路１５に圧力センサ２１を設けてあり、かつ、前記アノードガス供給流路１７には水素循環流路２０の接続点よりも下流側に圧力センサ２２を設けてあるとともに、その水素循環流路２０の接続点よりも上流側に圧力制御弁２３を設けてあり、かつ、前記カソードオフガス排出流路１８に圧力制御弁２４を設けてあるとともに、前記アノードオフガス排出流路１９の水素循環流路２０分岐点よりも下流側にパージ弁２５を設けてある。

また、前記水素循環流路２０には循環ポンプ２６を設けて、アノードオフガス排出流路１９を流れるアノードオフガスをアノードガス供給流路１７に還流させるようになっている。

前記カソードオフガス排出流路１８に設けた圧力制御弁２４は、酸素極１１の入口に設けた前記圧力センサ２１で検出した圧力値に基づいて、酸素極１１の負荷に応じた圧力に制御するようになっており、また、前記アノードガス供給流路１７に設けた圧力制御弁２３は、水素極１２の入口に設けた前記圧力センサ２２で検出した圧力値に基づいて、水素極１２の負荷に応じた圧力に制御する。

また、前記アノードオフガス排出流路１９に設けたパージ弁２５は通常は閉弁されており、燃料電池１０が一定の電力量または一定の時間を発電した場合、または水詰まりなどによるセル電圧の低下を検知した場合に開弁して、水素とともに水分および窒素を排出する。

前記燃料電池スタック１３には冷媒液循環経路３０が設けられ、この冷媒液循環経路３０内を循環する冷媒液としての冷却水によって燃料電池スタック１３を冷却するようになっている。

前記冷媒液循環経路３０には、冷却水を循環するためのポンプ３１および熱交換器としてのラジエータ３２を設けてあり、このラジエータ３２は、これを通過する外部空気Ａとラジエータ３２内の冷却水とが熱交換される外部空気による熱交換方式となっている。

そして、上記ラジエータ３２で冷却した冷却水を前記ポンプ３１で燃料電池スタック１３に圧送し、その冷却水が燃料電池スタック１３内を循環してこの燃料電池スタック１３を冷却した後、再度ラジエータ３２へと循環される。

また、前記冷媒液循環経路３０には、ラジエータ３２をバイパスする（ラジエータ３２を通過させない）バイパス流路３３が設けられ、このバイパス流路３３の分岐部にはラジエータ３２への流路とバイパス流路３３への冷却水の流れを切り換える冷媒液流路切換え手段としての冷却水切換え３方弁３４を設けてある。

更に、前記冷媒液循環経路３０には、燃料電池スタック１３の出口に第１温度センサ３５が設けられるとともに、ラジエータ３２の出口に第２温度センサ３６が設けられ、これら第１・第２温度センサ３５，３６で検出した温度差によって燃料電池スタック１３の冷却が必要かどうかを判断するようになっている。

そして、燃料電池スタック１３の温度が所定値よりも低くて冷却の必要がない場合は、前記冷却水切換え３方弁３４をバイパス流路３３側に切り換えて冷却水をラジエータ３２に通すことなく循環させる一方、燃料電池スタック１３の温度が所定値以上で冷却が必要となる場合は、前記冷却水切換え３方弁３４をラジエータ３２側に切り換えて冷却水を外部空気Ａで熱交換して冷却する。

ここで、本実施形態の冷却システムにあっては、前記カソードオフガス排出流路１８から分岐して、前記ラジエータ３２に導入する外部空気Ａの上流側前方に排出口４０ａを配置したカソードオフガス分岐流路４０を設けるとともに、このカソードオフガス分岐流路４０の分岐部には、前記カソードオフガス排出流路１８と上記カソードオフガス分岐流路４０へのカソードオフガスの流れを切り換えるカソードオフガス流路切換え手段としてのカソードオフガス切換え３方弁４１を設け、かつ、ラジエータ３２内の冷却水の凍結を予測する冷媒液凍結予測手段としてのコントローラ４２を設け、そのコントローラ４２により凍結を予測した場合にカソードオフガス流路切換え３方弁４１をカソードオフガス分岐流路４０側に切り換えるようになっている。

上記コントローラ４２によるラジエータ３２の凍結予測は、本実施形態では上記第２温度センサ３６で検出した温度信号に基づいて行うようになっているが、ラジエータ３２に直接温度センサを設けて、その温度信号によって凍結予測してもよい。

また、本実施形態の冷却方法にあっては、前記ラジエータ３２内の冷却水の凍結を予測した場合に、燃料電池１０の燃料電池スタック１３から排出されるカソードオフガスを、上記ラジエータ３２の近傍である前方に供給するようにしてある。

つまり、前記コントローラ４２は、図２に示すようにステップＳ１によって、前記温度センサ３６の信号によりラジエータ３２内の冷却水温度が凍結に至る温度まで低下したかどうかを判断し、凍結しそうと予測すると（ＹＥＳ）ステップＳ２によってカソードオフガス切換え３方弁４１をカソードオフガス分岐流路４０側に切り換えて、このカソードオフガス分岐流路４０の排出口４０ａから高温のカソードオフガスをラジエータ３２の前面（上流側）に供給する。

一方、コントローラ４２は、上記ステップＳ１でラジエータ３２内の冷却水が凍結しそうに無いと予測すると（ＮＯ）、ステップＳ３によってカソードオフガス切換え３方弁４１をカソードオフガス排出流路１８側に切り換えて、前記カソードオフガス分岐流路４０へのカソードオフガス供給を停止する。

以上の構成により本実施形態の燃料電池の冷却システムおよび冷却方法によれば、冷媒液循環経路３０に設けたラジエータ３２内の冷却水の凍結が予測された場合に、燃料電池スタック１３から排出されるカソードオフガスが上記ラジエータ３２に導入する外部空気Ａの上流側に供給されるので、そのラジエータ３２に導入される外部空気Ａとともに高温の前記カソードオフガスがラジエータ３２を通過するので、そのカソードオフガスの熱でラジエータ３２内の冷却水を温めて、この冷却水が凍結されるのを防止することができる。

従って、燃料電池スタック１３の温度が低温状態から上昇して冷却水がラジエータ３２への流路に流れる状態になった場合にも、ラジエータ３２内をスムーズに冷却水が流通して燃料電池スタック１３の冷却効率が低下されるのを防止することができる。

（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態を示し、前記第１実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとし、図３は熱交換器とカソードオフガス分岐流路との関係を示す拡大正面図である。

本実施形態の燃料電池の冷却システムでは、図３に示すようにカソードオフガス分岐流路４０の排出口４０ａを、この排出口４０ａから噴出されるカソードオフガスが前記ラジエータ３２の最も冷媒液温度が低くなる低温部位Ｐ（図３中太線で囲ってある領域）に供給されるように配置してある。

つまり、ラジエータ３２は冷却水の導入口３２ａを設けた導入側タンク３２ｂと、冷却水の排出口３２ｃを設けた排出側タンク３２ｄとを所定間隔Ｌを設けて対向配置し、これら両タンク３２ｂ，３２ｄ間を多数のフィン付きチューブで連通する構成となっており、それらフィン付きチューブを冷却水が通過する間にその冷却水は外部空気Ａと熱交換される。

従って、ラジエータ３２の前記低温部位Ｐは、外部空気Ａに熱交換された冷却水が集合する排出側タンク３２ｄとなり、前記カソードオフガス分岐流路４０から排出されるカソードオフガスを、その低温部位Ｐとなる排出側タンク３２ｄに集中的に当てるようにしてある。

また、本実施形態では前記排出口４０ａに拡径部４３を設けて、排出口４０ａから放出されるカソードオフガスを前記低温部位Ｐの略全域を網羅するように拡張して放出するようになっている。

以上の構成により本実施形態によれば、高温のカソードオフガスをラジエータ３２の低温部位Ｐに集中的に供給することができるので、ラジエータ３２内の冷却水の凍結をより効果的に防止することができる。

（第３実施形態）
図４，図５は本発明の第３実施形態を示し、前記第１，第２実施形態と同一構成部分に同一符号を付して重複する説明を省略して述べるものとし、図４は熱交換器とカソードオフガス分岐流路との位置関係を示す拡大正面図、図５は熱交換器とカソードオフガス分岐流路との位置関係を示す拡大側面図である。

本実施形態の燃料電池の冷却システムでは、図４，図５に示すようにラジエータ３２に対してこれに導入する外部空気Ａの上流側に配置されるヒートポンプ式暖房機の蒸発器５０を備え、カソードオフガス分岐流路４０の排出口４０ａを、この排出口４０ａから噴出されるカソードオフガスが前記蒸発器５０に導入する外部空気Ａの上流側に供給されるように配置してある。

即ち、前記ヒートポンプ式暖房機は、前記蒸発器５０および図外の凝縮器、圧縮機、膨張弁を備えた一般的な冷凍サイクルの構造と同様であり、通常はその冷凍サイクルの冷媒ガスの循環方向を変換することにより、暖房機と冷房機との切換えが可能となって、車室内の空調を行うようになっている。

前記ヒートポンプ式暖房機を構成する場合、上記蒸発器５０は膨張弁で断熱膨張させた冷媒ガスを外部空気Ａと熱交換して気化させた後に圧縮機に送るようになっており、その蒸発器５０を上述したようにラジエータ３２に導入する外部空気Ａの上流側に配置してあり、その外部空気Ａは蒸発器５０を通過した後に上記ラジエータ３２に供給される。

従って、上記カソードオフガス分岐流路４０の排出口４０ａを上記蒸発器５０の上流側に配置することにより、その排出口４０ａから放出されたカソードオフガスは、上記外部空気Ａとともに蒸発器５０を通過した後にラジエータ３２に供給される。

また、本実施形態にあっても第２実施形態と同様に前記排出口４０ａに拡径部４３を設けて、排出口４０ａから放出されるカソードオフガスを前記低温部位Ｐの略全域を網羅するように放出面積を拡大して排出するようになっている。

以上の構成により本実施形態によれば、ヒートポンプ式暖房機を構成する蒸発器５０をラジエータ３２の上流側に配置することにより、そのヒートポンプ式暖房機を作動することにより、蒸発器５０を通過してラジエータ３２に供給される外部空気Ａは、蒸発器５０で熱を奪われ、外気温度よりさらに温度低下した空気がラジエータ３２に供給されることになる。

このとき、本実施形態では、前記蒸発器５０の上流側にカソードオフガス分岐流路４０の排出口４０ａから高熱のカソードオフガスが供給される（吹き付けられる）ことにより、蒸発器５０で低温化された外部空気Ａを暖めることができるため、ラジエータ３２に低温化された外部空気Ａが供給されるのを防止し、ひいてはラジエータ３２内の冷却水が凍結するのを避けることができる。

ところで、本発明は前記第１〜第３実施形態に例をとって説明したが、これら実施形態に限ることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲で他の実施形態を各種採用することができる。

本発明の第１実施形態における冷却システム全体の概略構成図である。本発明の第１実施形態におけるカソードオフガス流路切換え手段の制御を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態における熱交換器とカソードオフガス分岐流路との関係を示す拡大正面図である。本発明の第３実施形態における熱交換器とカソードオフガス分岐流路との位置関係を示す拡大正面図である。本発明の第３実施形態における熱交換器とカソードオフガス分岐流路との位置関係を示す拡大側面図である。

符号の説明

１０燃料電池
１１酸素極
１２水素極
１３燃料電池スタック
１８カソードオフガス排出流路
３０冷媒液循環経路
３２ラジエータ（熱交換器）
３３バイパス流路
３４冷却水切換え３方弁（冷媒液流路切換え手段）
４０カソードオフガス分岐流路
４０ａ排出口
４１カソードオフガス切換え３方弁（カソードオフガス流路切換え手段）
４２コントローラ（冷媒凍結予測手段）
５０蒸発器
Ａ外部空気
Ｐ低温部位

Claims

燃料電池スタックを冷却する冷媒液循環経路に、外部空気による熱交換方式の熱交換器と、この熱交換器をバイパスするバイパス流路と、熱交換器またはバイパス流路への冷媒液の流れを切り換える冷媒液流路切換え手段と、を備え、前記燃料電池スタックの温度に応じて冷媒液流路切換え手段を切換え制御する燃料電池の冷却システムにおいて、
前記燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスを車外に排出するカソードオフガス排出流路と、
前記カソードオフガス排出流路から分岐して、前記熱交換器の近傍に排出口を配置したカソードオフガス分岐流路と、
前記熱交換器内の冷媒液の凍結を予測する冷媒液凍結予測手段と、
前記冷媒液凍結予測手段で予測した結果に基づいて、前記カソードオフガス排出流路または前記カソードオフガス分岐流路へのカソードオフガスの流れを切り換えるカソードオフガス流路切換え手段とを備える
ことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
請求項１に記載の燃料電池の冷却システムであって、
前記カソードオフガス分岐流路の排出口を、この排出口から噴出されるカソードオフガスが、前記熱交換器の最も冷媒液温度が低くなる低温部位に供給されるように配置した
ことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
請求項１に記載の燃料電池の冷却システムであって、
前記熱交換器に対してこれに導入する外部空気の上流側に配置されるヒートポンプ式暖房機の蒸発器を備え、カソードオフガス分岐流路の排出口を、この排出口から噴出されるカソードオフガスが前記蒸発器に導入する外部空気の上流側に供給されるように配置した
ことを特徴とする燃料電池の冷却システム。
燃料電池スタックを冷却する冷媒液循環経路に、外部空気による熱交換方式の熱交換器と、この熱交換器をバイパスするバイパス流路と、熱交換器またはバイパス流路への冷媒液の流れを切り換える冷媒液流路切換え手段と、を備え、前記燃料電池スタックの温度に応じて冷媒液流路切換え手段を切換え制御する燃料電池において、
前記熱交換器内の冷媒液の凍結を予測した場合に、燃料電池スタックから排出されるカソードオフガスを、上記熱交換器に供給する
ことを特徴とする燃料電池の冷却方法。