JP2007123031A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】カソードに供給するガスの温度上昇を抑制することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２のカソードにカソードガスを供給するガス供給路２３と、カソードオフガスをガス供給路２３に導入するガス循環路２４と、ガス供給路２３およびガス循環路２４の少なくとも一方に設けられた冷却系１３と、カソードオフガスの循環量を変更する循環バルブ７と、カソードオフガスの循環量に応じて冷却系１３の冷却能力を変化させる制御装置２２とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、カソードオフガスを循環させる機構を備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化ガス）が接触することによって、両電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。

燃料電池によって安定した出力を得るには、燃料電池を所定の温度範囲に維持する必要がある。このため、従来より、カソードオフガスの一部を循環させる燃料電池において、カソードオフガスの循環路に冷却手段を設けることが提案されている（特許文献１参照）。これによれば、冷却手段によって冷却されたカソードオフガスが、空気導入路を介してカソードに供給されるので、燃料電池スタックを冷却することができるとされる。

特開平９−３１２１６４号公報 特開平９−２６６００２号公報 特開２００３−１１８３９６号公報 特開２００４−１７８９００号公報

しかしながら、燃料電池スタックから排出されたカソードオフガスは、カソードガスに比べて高温となっている。このため、従来の燃料電池システムでは、カソードオフガスの循環量が多くなったときに、カソードに供給されるガスを十分に冷却できないという問題がった。そして、その結果、冷却手段の下流側にある配管や燃料電池スタックなどを損傷してしまうおそれがあった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、カソードに供給するガスの温度上昇を抑制することのできる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明は、燃料電池から排出されたカソードオフガスを循環して該燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソードにカソードガスを供給する第１の流路と、カソードオフガスを第１の流路に導入する第２の流路と、第１の流路および第２の流路の少なくとも一方に設けられた冷却手段と、カソードオフガスの循環量を変更する循環量変更手段と、カソードオフガスの循環量に応じて冷却手段の冷却能力を変化させる制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムにおいて、冷却手段はインタークーラとすることができ、循環量変更手段は第２の流路に設けられたバルブとすることができる。また、制御手段は、バルブの開度に応じて、インタークーラに冷却媒体を送る冷却媒体ポンプの回転数および冷却媒体の熱を外部へ放出するラジエータファンの回転数の少なくとも一方を変える手段とすることができる。この場合、制御手段は、バルブが開いているときにのみ、冷却媒体ポンプの回転数およびラジエータファンの回転数の少なくとも一方を変える手段であることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムは、第１の流路にコンプレッサをさらに有することができる。この場合、冷却手段は、コンプレッサの下流側に設けられていることが好ましい。

本発明の燃料電池システムによれば、カソードオフガスの循環量に応じて冷却手段の冷却能力を変化させるので、カソードに供給するガスの温度上昇を抑制することができる。

図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。尚、この燃料電池システムは、車載用および据え置き型などの種々の用途に適用可能である。

図１の燃料電池システム１は、水素と酸素を供給されて起電力を生じる燃料電池２と、モータ３によって駆動されて、燃料電池２のカソード（図示せず）に酸素を含むガス（カソードガスおよびカソードオフガス）を供給するコンプレッサ４と、コンプレッサ４から吐出された前記ガスを冷却するインタークーラ５と、コンプレッサ４から燃料電池２に供給される前記ガスの圧力を調整する調圧弁６と、燃料電池２から排出されたカソードオフガスの循環量を変更する循環バルブ７とを有する。ここで、循環バルブ７は、本発明における循環量変更手段である。

また、燃料電池システム１は、燃料電池２のアノード（図示せず）に水素を供給するアノードガス供給系８と、燃料電池２を冷却する冷却系９とを有する。

図１において、カソードガスとしての空気は、第１の流路としてのガス供給路２３を通って燃料電池２のカソードに供給される。

具体的には、まず、エアクリーナ１０およびエアフローメータ１１を通ってコンプレッサ４に入る。ここで、エアクリーナ１０は、空気中のゴミなどの異物を除去する役割を有する。また、エアフローメータ１１は、空気の流量を計測する役割を有する。

コンプレッサ４から吐出された空気は、燃料電池２のカソードに供給される前に、インタークーラ５で冷却される。これにより、高温の空気が流れることによって燃料電池システム１にダメージが与えられるのを防ぐことができる。

インタークーラ５を経由した空気は、燃料電池２のカソードに供給されて、アノードとの間の電極反応に消費される。その後、燃料電池２から排出されたカソードオフガスは、調圧弁６を経た後に、一部は、第２の流路としてのガス循環路２４に設けられた循環バルブ７を通って再び燃料電池２に供給され、残りは排気管１２から排出される。

このように、本実施の形態における燃料電池システム１は、カソードオフガスを循環させる機構を有する。カソードオフガスには、燃料電池２の電極反応で生成した水分が含まれている。したがって、カソードオフガスを循環させることにより、燃料電池２に供給されるガスを加湿することができるので、燃料電池２内の電解質膜（図示せず）の含水状態を適切に管理して、電解質膜を正常に機能させることが可能となる。

尚、燃料電池に供給するガスを加湿する他の手段として、燃料電池システムに加湿器を設けることも考えられる。この場合、加湿器は、燃料電池から排出されたカソードオフガス中の水分を回収するとともに、燃料電池に供給される空気を加湿する役割を果たす。しかしながら、本実施の形態の燃料電池システムのように、カソードオフガスを循環させる方法であれば、循環バルブを設けるだけで加湿することができるので、加湿器を設ける場合に比較すると信頼性およびコスト的に有利である。

ところで、図１で、燃料電池２の温度が低く、燃料電池２に供給するガスを加湿する必要がない場合には、カソードオフガスを循環する必要もなくなるので、循環バルブ７は閉状態として、カソードオフガスが全て排出されるようにする。一方、燃料電池２の温度が高くなると水蒸気分圧が高くなるので、カソードオフガスとともに排出される水の量が増える。したがって、この場合には、燃料電池２に供給するガスを加湿する必要が生じるので、循環バルブ７を開状態としてカソードオフガスの一部を循環する。また、燃料電池２に過剰のガスが供給された場合にも、ガスと一緒になって排出される水の量が多くなる。したがって、こうした場合には、温度が低い状態であっても、循環バルブ７を開状態として加湿を行う。尚、カソードオフガスを循環させる場合であっても、必ずカソードオフガスの一部は排出されるようにする。これは、燃料電池２に供給する酸素の量が不足しないようにするためである。

このように、循環バルブ７の開度は、燃料電池システム１内での加湿の必要性に応じて変化する。このことは、加湿の必要性に応じて、カソードオフガスの循環量が変化することを意味している。

ところで、コンプレッサ４を駆動するモータ３の回転数を一定とした状態で、カソードオフガスの循環量を増やすと、外気から取り込まれる空気の量がその分減少してしまうので、燃料電池２に供給する酸素の量が不足する。したがって、酸素の量を増やして燃料電池２に所定量の酸素を供給するには、コンプレッサ４の回転数を上げることが必要となる。

しかしながら、コンプレッサ４を駆動するモータ３の回転数が上がると、ガスが受ける仕事量が大きくなることによって、コンプレッサ４から吐出されるガスの温度が上昇する。また、燃料電池２から排出されたカソードオフガスは高温であるので、カソードオフガスの循環量が増えると、コンプレッサ４に吸気されるガスの温度が上昇する。したがって、この場合にも、コンプレッサ４から吐出されるガスの温度上昇が起こる。そこで、本実施の形態においては、カソードオフガスの循環量に応じて、具体的には循環バルブ７の開度に応じて、コンプレッサ４から吐出されるガスを効果的に冷却できるようにしている。図１では、制御装置２２がその役割を担っている。

以下、本実施の形態の燃料電池システムにおける冷却方法について詳述する。

本実施の形態は、コンプレッサの下流側に冷却系１３を有する。ここで、冷却系１３は本発明における冷却手段であり、コンプレッサ４から吐出されたガスを冷却するインタークーラ５と、モータ１４によって駆動されて、インタークーラ５に冷却水を送る冷却水ポンプ１５と、冷却水の熱を外部へ放出するラジエタ１６およびラジエタファン１７とを有する。尚、本実施の形態においては、冷却水以外の冷却媒体を用いてもよい。

冷却水ポンプ１５によって送り出された冷却水は、流路１８からインタークーラ５に向かった後、インタークーラ５から流路１９を経てコンプレッサ４に向かう。これにより、コンプレッサ４から吐出されたガスをインタークーラ５で冷却することができる。また、コンプレッサ４およびモータ３で発生した熱も冷却水に奪われるので、コンプレッサ４およびモータ３の温度上昇を抑制することもできる。

コンプレッサ４を出た冷却水は、流路２０からラジエータ１６に向かう。これにより、インタークーラ５、コンプレッサ４およびモータ３を経由することによって温度上昇した冷却水は、ラジエータ１６およびラジエータファン１７で冷却される。その後、流路２１を経て再び冷却水ポンプ１５に戻る。このように、冷却系１３を冷却水が循環することによって、インタークーラ５、コンプレッサ４およびモータ３を連続的に冷却できるので、これらの温度上昇を抑制することが可能となる。

本実施の形態では、循環バルブ７の開度に応じて変化する値としてαを定義し、このαを用いて冷却能力を補正する。具体的には、燃料電池２の出力に応じて決定された冷却水ポンプ１５の回転数にαを乗ずる。これにより、循環バルブの開度にしたがって、冷却系１３を循環する冷却水の流量が変化するようにしている。すなわち、循環バルブ７の開度が大きいほど、αが大きくなるようにすることによって、循環バルブ７の開度が大きいほど、冷却水ポンプ１５の回転数が大きくなるようにすることができる。これにより、カソードオフガスの循環量が多くなるほど、冷却水の流量を増して冷却効果を高めることが可能となる。

また、本実施の形態においては、循環バルブ７の開度に応じて変化する値としてβも定義する。前述のαが、循環バルブ７の開度と冷却水ポンプ１５の回転数との関係から得られる値であったのに対し、βは、循環バルブ７の開度とラジエータファン１７の回転数から得られる値である。したがって、βを所定のラジエータファン１７の回転数に乗ずることによって、循環バルブ７の開度にしたがって、ラジエータファン１７の回転数を変化させることができる。換言すると、循環バルブ７の開度が大きいほど、βが大きくなるようにすることによって、循環バルブ７の開度が大きいほど、ラジエータファン１７の回転数が大きくなるようにすることができる。これにより、カソードオフガスの循環量が多くなるほど、冷却効果が高くなるようにすることができる。

図２は、本実施の形態の燃料電池システム１において、制御装置２２による冷却水ポンプ１５およびラジエータファン１７の回転数の制御方法を示すフローチャート図である。

まず、ステップ１で、循環バルブ７が開いているか否かを判定する。これは、循環バルブ７の開度を見れば、カソードオフガスの循環量が分かるので、コンプレッサ４の吸気側におけるガスの温度変化を予測できるからである。尚、循環バルブ７の開度は、燃料電池２の出力や温度に基づいて、以下に述べるステップとは別のルーチンで制御される。

温度が低くて加湿の必要が無い場合には、循環バルブ７は閉じた状態であるので、図２のステップ２に進む。ステップ２では、燃料電池２の出力に応じた冷却水ポンプ１５の回転数ｘ_０およびラジエータファン１７の回転数ｙ_０が決定される。尚、出力に代えて、または、出力とともに、温度に応じて回転数ｘ_０，ｙ_０を決定してもよい。

一方、燃料電池２に供給するガスに対して加湿が必要である場合には、循環バルブ７は開いた状態となる。したがって、図２のステップ３に進み、制御装置２２により循環バルブ７の開度に応じて冷却能力を補正する。

ステップ３では、予め得ておいたマップから循環バルブ７の開度に応じた値αを求め、燃料電池の出力（および／または温度）から決定された冷却水ポンプの回転数ｘ_０にαを乗ずることによって、循環バルブ７の開度に適した冷却水ポンプの回転数ｘが得られる。

また、ステップ３では、予め得ておいたマップから循環バルブ７の開度に応じた値βを求め、燃料電池の出力（および／または温度）から決定されたラジエータファン１７の回転数ｙ_０にβを乗ずることによって、循環バルブ７の開度に応じたラジエータファン１７の回転数ｙを得ることもできる。

このように、ステップ３では、冷却水ポンプの回転数およびラジエータファン１７の回転数の何れを変えてもよく、また、これらの双方を変えることもできる。

ステップ２またはステップ３を経た後は、所定時間を経た後、再びステップ１に戻って同様の手順を辿る。

以上述べたように、本実施の形態によれば、循環バルブ７の開度に応じて、冷却水ポンプ１５および／またはラジエータファン１７の回転数を適宜設定するので、燃料電池システム１内を循環するガスを適切に冷却して温度上昇を抑制することができる。換言すると、本実施の形態によれば、コンプレッサ４の下流側を流れるガスの温度上昇を最小限に抑えつつ、燃料電池２に必要量の酸素を供給することが可能となる。

また、本実施の形態によれば、必要に応じた冷却を行うことができるので、不必要に冷却水ポンプ１５やラジエータファン１７の回転数を高くすることが無くなる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

例えば、上記実施の形態においては、コンプレッサによってカソードにガスを供給していたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、タンクに貯蔵された圧縮酸素をカソードガスとして用い、エジェクタによってカソードガスおよびカソードオフガスを燃料電池に供給してもよい。この場合、コンプレッサを不要とすることができる。そして、本発明は、コンプレッサがない燃料電池システムにも有効である。すなわち、燃料電池から排出されたカソードオフガスは高温であるので、カソードオフガスの循環量が増えると、従来の冷却手段では、カソードに供給されるガスを十分に冷却できず、冷却手段の下流側にある配管や燃料電池スタックなどを損傷してしまうおそれがある。しかし、本発明によれば、カソードオフガスの循環量に応じて冷却手段の冷却能力を変化させるので、こうした問題を解消することができる。

また、上記実施の形態においては、コンプレッサの下流側に、カソードに供給するガスを冷却する冷却系を有していたが、本発明はこれに限られるものではない。本発明においては、燃料電池のカソードにカソードガスを供給する第１の流路、および、カソードオフガスを第１の流路に導入する第２の流路の少なくとも一方に、上記冷却系が設けられていればよい。尚、コンプレッサがある構成では、上記実施の形態のように、コンプレッサの下流側に冷却系が設けられていることが好ましいが、コンプレッサの上流側に設けられていてもよい。この場合は、コンプレッサに吸気されるガスの温度を下げることができるので、下流側に設けられた場合ほどではないにしても、コンプレッサの吐出側のガスの温度を下げるのに効果がある。

さらに、上記実施の形態においては、循環量変更手段としてバルブを用いたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、可変エジェクタを用いることによって、カソードにガスを供給するとともに、カソードオフガスの循環量を変更することもできる。また、エジェクタによってカソードガスおよびカソードオフガスを燃料電池に供給する場合には、第２の流路にバルブを設けなくても、エジェクタを通過するカソードガスの量を変えることによって、カソードオフガスの循環量を変更することができる。

本実施の形態における燃料電池システムの構成図の一例である。 本実施の形態において、燃料電池システムの冷却方法のフローチャート図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３，１４ モータ
４ コンプレッサ
５ インタークーラ
６ 調圧弁
７ 循環バルブ
８ アノードガス供給系
９，１３ 冷却系
１０ エアクリーナ
１１ エアフローメータ
１２ 排出路
１５ 冷却水ポンプ
１６ ラジエータ
１７ ラジエータファン
１８，１９，２０，２１ 流路
２２ 制御装置
２３ ガス供給路
２４ ガス循環路

Claims (4)

1. 燃料電池から排出されたカソードオフガスを循環して該燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池のカソードにカソードガスを供給する第１の流路と、
   カソードオフガスを前記第１の流路に導入する第２の流路と、
   前記第１の流路および前記第２の流路の少なくとも一方に設けられた冷却手段と、
   カソードオフガスの循環量を変更する循環量変更手段と、
   前記循環量に応じて前記冷却手段の冷却能力を変化させる制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却手段はインタークーラであり、
   前記循環量変更手段は、前記第２の流路に設けられたバルブであり、
   前記制御手段は、前記バルブの開度に応じて、前記インタークーラに冷却媒体を送る冷却媒体ポンプの回転数および該冷却媒体の熱を外部へ放出するラジエータファンの回転数の少なくとも一方を変える手段である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記バルブが開いているときにのみ、前記冷却媒体ポンプの回転数および前記ラジエータファンの回転数の少なくとも一方を変える手段である請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１の流路にコンプレッサを有し、
   前記冷却手段は、前記コンプレッサの下流側に設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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