JP2007311058A - 燃料電池システムと燃料電池の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池が高温になったときにも冷却することができるようにする。
【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池１と、前記燃料電池１に冷却水を循環させる冷却水循環流路３０と、冷却水循環流路３０に設けらて冷却水を貯蔵し、外部から断熱されて、貯蔵された冷却水を保温する保温タンク２４と、保温タンク２４を介して冷却水が流れる第1流路３１と、保温タンク２４を介さず冷却水が流れる第2流路３２とを切替える三方切替弁２５，２６と、燃料電池１の内部温度を検出する燃料電池温度センサ２８と、を備え、燃料電池温度センサ２８により検出された温度が所定温度以上になったときに、第1流路３１を介して冷却水を燃料電池１に循環させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムと燃料電池の冷却方法に関するものである。

一般に、燃料電池は発電に伴って発熱するので、燃料電池が所定の温度を超えないように冷却する冷却システムを備えている。この冷却システムは液冷式が一般的であり、燃料電池に冷却水を流して冷却し、燃料電池から熱を奪って温まった冷却水を熱交換器で放熱して冷却し、再び燃料電池の冷却水として循環させている。

また、燃料電池は低温時には発電効率が低下するので、低温始動性を向上させるために、前記冷却水の流路に蓄熱容器を設け、通常運転時に蓄熱容器に暖かい冷却水を溜めておき、低温始動時には熱交換器からの冷却水の供給を停止するとともに、蓄熱容器内に蓄えられた暖かい冷却水を燃料電池に供給するように流路を切り替え、燃料電池内の温度が所定温度以上になったら、熱交換器で冷却された冷却水が燃料電池に供給されるように流路を切り替える燃料電池システムが考えられている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−４２８４６号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、低温始動時に燃料電池を効率よく暖機することはできるが、燃料電池が異常に高温になったときには冷却水も高温になってしまうので、そのような異常時に燃料電池を冷却する術がなく、改善の余地があった。
そこで、この発明は、燃料電池が通常より高温になったときにも燃料電池を冷却することができる燃料電池システム、および、燃料電池の冷却方法を提供するものである。

この発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の冷却方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環流路（例えば、後述する実施例における冷却水循環流路３０）と、前記冷却水循環流路に設けらて冷却水を貯蔵し、外部から断熱されて、貯蔵された冷却水を保温する保温貯蔵手段（例えば、後述する実施例における保温タンク２４）と、前記保温貯蔵手段を介して前記冷却水が流れる第1流路（例えば、後述する実施例における第１流路３１）と、前記保温貯蔵手段を介さず前記冷却水が流れる第2流路（例えば、後述する実施例における第２流路３２）とを切替える切替え手段（例えば、後述する実施例における三方切替弁２５，２６）と、前記燃料電池内部の温度を検出する燃料電池温度検出手段（例えば、後述する実施例における燃料電池温度センサ２８）と、を備え、前記燃料電池温度検出手段により検出された燃料電池内部の温度が所定温度以上になったときに、前記第1流路を介して前記冷却水を前記燃料電池に循環させることを特徴とする燃料電池システムである。
このように構成することにより、燃料電池を発電運転していて燃料電池の温度が所定温度以上になったときに、保温貯蔵手段に貯蔵しておいた低温の冷却水を積極的に燃料電池に流通させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記保温貯蔵手段の内部の冷却水温度を検出する貯蔵温度検出手段（例えば、後述する実施例における貯蔵冷却水温度センサ２７）を備え、前記燃料電池温度検出手段で検出された燃料電池内部の温度が、前記貯蔵温度検出手段で検出された冷却水温度よりも低いときに、前記切替え手段を前記第１流路に切替えて前記保温貯蔵手段の冷却水を入れ替えることを特徴とする。
このように構成することにより、保温貯蔵手段に常に燃料電池内部の温度よりも低い温度の冷却水を貯蔵しておくことができる。また、保温貯蔵手段の冷却水を入れ替える結果、保温貯蔵手段に貯蔵されていた暖かい冷却水を燃料電池に導入することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記切替え手段は、前記燃料電池の始動直後に、前記第1流路に切替えて前記保温貯蔵手段の冷却水を入れ替えることを特徴とする。
燃料電池の始動直後は冷却水が未だ十分に暖められておらず、燃料電池内に低温の冷却水が溜まっていることが予想されるので、始動直後に冷却水を第１流路に流すことにより、燃料電池内の低温の冷却水を保温貯蔵手段に導入し、貯蔵することができる。

請求項４に係る発明は、請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記所定温度は、前記燃料電池の耐久上限温度に設定されることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池が耐久上限温度を越えないようにすることができる。

請求項５に係る発明は、燃料電池内部の温度が低いときに燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）を循環する冷却水を保温貯蔵手段（例えば、後述する実施例における保温タンク２４）に貯蔵して保温しておき、前記燃料電池内部の温度が所定温度以上になったときに、前記保温貯蔵手段に貯蔵しておいた前記冷却水を前記燃料電池に導入することを特徴とする燃料電池の冷却方法である。
このように構成することにより、燃料電池を発電運転していて燃料電池の温度が所定温度以上になったときに、保温貯蔵手段に貯蔵しておいた低温の冷却水を燃料電池に流通させて燃料電池を冷却することができる。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池を発電運転していて燃料電池の温度が所定温度以上になったときに、保温貯蔵手段に貯蔵しておいた低温の冷却水を積極的に燃料電池に流通させることができるので、燃料電池の冷却を促進することができる。
請求項２に係る発明によれば、保温貯蔵手段に常に燃料電池内部の温度よりも低い温度の冷却水を貯蔵しておくことができるので、燃料電池を発電運転していて燃料電池の温度が所定温度以上になったときに、保温貯蔵手段に貯蔵しておいた低温の冷却水を燃料電池に流通させて、燃料電池を確実に冷却することができる。また、保温貯蔵手段に貯蔵されていた暖かい冷却水を燃料電池に導入することができるので、燃料電池の暖機を促進することができる。
請求項３に係る発明によれば、始動直後に保温貯蔵手段に低温の冷却水を貯蔵することができる。
請求項４に係る発明によれば、燃料電池が耐久上限温度を越えないようにすることができるので、燃料電池を保護することができる。
請求項５に係る発明によれば、燃料電池を発電運転していて燃料電池の温度が所定温度以上になったときに、保温貯蔵手段に貯蔵しておいた低温の冷却水を燃料電池に流通させて燃料電池を冷却することができる。

以下、この発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の冷却方法の実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様である。
初めに、この発明に係る燃料電池システムの概略構成を図１および図２を参照して説明する。
燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、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ており、アノード側の燃料ガス流通路５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード側の酸化剤ガス流通路６に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、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。なお、カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散する。

空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１の酸化剤ガス流通路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して図示しない排気処理装置へ排出される。コンプレッサ７および圧力制御弁１０は燃料電池１の負荷に応じて電子制御装置（ＥＣＵ）４０により制御される。

一方、水素タンク１１から供給される水素ガスは水素ガス供給流路１２、遮断弁１３を流通し、レギュレータ１４によって所定圧力に減圧され、エゼクタ１５を通って燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路１６を通ってエゼクタ１５に吸引され、水素タンク１１から供給される新鮮な水素ガスと合流し再び燃料電池１の燃料ガス流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路１６およびエゼクタ１５を通って、燃料電池１を循環する。

また、燃料電池１には燃料電池１を冷却する冷却水流通路４が設けられており、この冷却水流通路４には、冷却水ポンプ２１、ラジエータ２２、リザーブタンク２３、保温タンク（保温貯蔵手段）２４を備えた冷却水循環流路３０が接続されている。なお、以下の説明では、便宜上、燃料電池１の冷却水流通路４は冷却水循環流路３０に含まれるものとする。ラジエータ２２は図示しないファンあるいは走行風によって冷却水を空冷するものであり、保温タンク２４は、外部との熱の授受を遮断する断熱構造を備え、貯蔵された冷却水を保温するタンクである。保温タンク２４には、保温タンク２４に貯蔵されている冷却水の温度を検出する貯蔵冷却水温度センサ（貯蔵温度検出手段）２７が設けられている。

冷却水循環流路３０について詳述する。冷却水循環流路３０は、２つの三方切替弁（切り替え手段）２５，２６によって切り替え可能な２つの閉回路からなる。一方の閉回路を構成する第１流路３１は、燃料電池１の冷却水流通路４、冷却水ポンプ２１、三方切替弁２５、保温タンク２４、三方切替弁２６、を順に通って再び燃料電池１の冷却水流通路４に戻る流路からなり、他方の閉回路を構成する第２流路３２は、燃料電池１の冷却水流通路４、冷却水ポンプ２１、三方切替弁２５、ラジエータ２２、リザーブタンク２３、三方切替弁２６、を順に通って再び燃料電池１の冷却水流通路４に戻る流路からなる。

つまり、第１流路３１と第２流路３２は、燃料電池１の冷却水流通路４から冷却水ポンプ２１を通って三方切替弁２５に至る流路３３と、三方切替弁２６から燃料電池１の冷却水流通路４に戻る流路３４を共有し、第１流路３１では保温タンク２４を備えた流路３５によって三方切替弁２５，２６が接続され、第２流路３２ではラジエータ２２およびリザーブタンク２３を備えた流路３６によって三方切替弁２５，２６が接続されている。
したがって、第１流路３１は保温タンク２４を介して冷却水が流れる流路であり、第２流路３２は保温タンク２４を介さず冷却水が流れる流路であると言うことができる。

三方切替弁２５は、第１流路３１の流路３５と第２流路３２の流路３６のいずれか一方を流路３３に接続するとともに他方を閉塞する機能を有し、三方切替弁２６は、第１流路３１の流路３５と第２流路３２の流路３６のいずれか一方を流路３４に接続するとともに他方を閉塞する機能を有する。したがって、三方切替弁２５，２６を切り替えることにより、冷却水が流れる流路を第１流路３１と第２流路３２のいずれかに選択することができる。
図１は、三方切替弁２５によって流路３３と流路３５を接続し、三方切替弁２６によって流路３５と流路３４を接続して、冷却水を第１流路３１を介して循環させる状態を示す。図２は、三方切替弁２５によって流路３３と流路３６を接続し、三方切替弁２６によって流路３６と流路３４を接続して、冷却水を第２流路３２を介して循環させる状態を示す。

流路３３において冷却水ポンプ２１よりも上流側であって燃料電池１の冷却水流通路４に近い部位には、燃料電池１から流出した直後の冷却水の温度を検出する燃料電池温度センサ（燃料電池温度検出手段）２８が設けられている。この実施例において燃料電池温度センサ２８で検出される冷却水の温度は、燃料電池１の内部温度とみなす。

この燃料電池システムでは、燃料電池１を効率的に冷却するために、燃料電池１の運転状態に応じて冷却水の流路を切り替えている。この冷却水流路の切り替え制御のために、ＥＣＵ４０には、貯蔵冷却水温度センサ２７と燃料電池温度センサ２８の出力信号や、イグニッションスイッチ２９のＯＮ／ＯＦＦ信号が入力され、ＥＣＵ４０はこれら入力信号に基づいて三方切替弁２５，２６を切り替え制御する。
基本的には、燃料電池１の内部温度が低いときに燃料電池１の冷却水流通路４内の冷却水を保温タンク２４に導入して貯蔵しておき、燃料電池１の内部温度が所定温度以上の高温になったときに、保温タンク２４に貯蔵しておいた低温の冷却水を燃料電池１に導入して燃料電池１の温度を低下させる。

次に、この実施例における燃料電池の冷却水流路切り替え制御について、図３のフローチャートに従って説明する。
図３のフローチャートに示す冷却水流路切り替え制御ルーチンは、イグニッションスイッチ２９のＯＮ信号により開始され、ＥＣＵ４０によって一定時間毎に繰り返し実行される。なお、冷却水ポンプ２１はイグニッションスイッチ２９のＯＮ信号により運転開始され、イグニッションスイッチ２９のＯＦＦ信号により停止される。

まず、ステップＳ１０１において、始動直後か否かを判定する。始動直後か否かは、例えば、イグニッションスイッチ２９がＯＮされてから所定時間以内のときは始動直後と判定し、所定時間経過後であるときは始動直後でないと判定することができる。あるいは、燃料電池温度センサ２８によって検出される冷却水の温度（燃料電池１の内部温度）Ｔ１が燃料電池１の通常運転時の下限温度よりも低いときには始動直後と判定し、前記下限温度を超えているときは始動直後でないと判定することができる。

ステップＳ１０１における判定結果が「ＹＥＳ」（始動直後）である場合は、ステップＳ１０５に進み、冷水溜めモードを実行する。冷水溜めモードでは、第１流路３１が形成されるように三方切替弁２５，２６を切り替えて、第１流路３１を介して冷却水を流す。燃料電池１の始動直後は冷却水が未だ十分に暖められておらず、燃料電池１の冷却水流通路４内に冷たい冷却水が溜まっていることが予想されるので、始動直後に冷却水を第１流路３１に流すことにより、燃料電池１の冷却水流通路４に溜まっている低温の冷却水を保温タンク２４に導入する。

ステップＳ１０１における判定結果が「ＮＯ」である場合は、ステップＳ１０２に進み、燃料電池温度センサ２８によって検出される冷却水の温度（燃料電池１の内部温度）Ｔ１が所定温度以上か否かを判定する。ここで所定温度は、燃料電池１を構成する固体高分子電解質膜の耐久上限温度、あるいは、該耐久上限温度より低い適宜の温度に設定することができる。なお、燃料電池１は始動直後を脱した後に通常の発電運転に移行する。

ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（Ｔ１＜所定温度）である場合は、ステップＳ１０３に進み、燃料電池温度センサ２８によって検出される冷却水の温度（燃料電池１の内部温度）Ｔ１が、貯蔵冷却水温度センサ２７によって検出される保温タンク２４内の冷却水温度Ｔ２よりも低いか否かを判定する。

ステップＳ１０３における判定結果が「ＮＯ」（Ｔ１≧Ｔ２）である場合は、ステップＳ１０４に進み、冷却水保存モードを実行する。冷却水保存モードでは、第２流路３２が形成されるように三方切替弁２５，２６を切り替えて、第２流路３２を介して冷却水を流す。保温タンク２４に現在貯留されている冷却水の温度の方が燃料電池１の内部温度よりも低い場合には、保温タンク２４内の冷却水を入れ替えずに現状を維持した方が、保温タンク２４内の冷却水の温度を低温に維持することができるからである。
第２流路３２を介して冷却水を循環させているときに、冷却水は燃料電池１の冷却水流通路４を流通する際に燃料電池１と熱交換して燃料電池１を冷却し、冷却水は暖められる。暖められた冷却水はラジエータ２２において冷却されてリザーブタンク２３に貯蔵され、再び燃料電池１の冷却に供せられる。

ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔ１＜Ｔ２）である場合は、ステップＳ１０５に進み、冷水溜めモードを実行する。前述したように、冷水溜めモードでは、第１流路３１が形成されるように三方切替弁２５，２６を切り替えて、第１流路３１を介して冷却水を流す。燃料電池１の内部温度の方が、保温タンク２４に現在貯蔵されている冷却水の温度よりも低い場合には、燃料電池１の冷却水流通路４から排出される冷却水を保温タンク２４に導入して保温タンク２４内の冷却水を入れ替えた方が、保温タンク２４内の冷却水の温度を低温に維持することができるからである。また、保温タンク２４内に溜まっていた暖かい冷却水が燃料電池１の冷却水流通路４に導入されるので、燃料電池１の暖機が促進される。

一方、ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔ１≧所定温度）である場合は、ＦＣ冷却モードを実行する。ＦＣ冷却モードでは、第１流路３１が形成されるように三方切替弁２５，２６を切り替えて、第１流路３１を介して冷却水を流す。燃料電池１の内部温度が前記所定温度を超えたときには早急に燃料電池１を冷却する必要がある。そこで、ＦＣ冷却モードでは、冷却水を第１流路３１を介して流し、保温タンク２４に貯留されている低温の冷却水を燃料電池１の冷却水流通路４に供給することにより、燃料電池１を急速に冷却する。

このように冷却水の流路を切り替えると、保温タンク２４には常に燃料電池１の内部温度よりも低い温度の冷却水を貯蔵しておくことができ、燃料電池１を発電運転していて燃料電池１の温度が高温になったときに、保温タンク２４に貯蔵しておいた低温の冷却水を積極的に燃料電池１に流通させることができる。その結果、発電中の燃料電池１の冷却を促進することができ、燃料電池１を高温状態から確実に脱することができる。
特に、ステップＳ１０２における判定閾値である所定温度を固体高分子電解質膜の耐久上限温度に設定した場合には、燃料電池１の過熱を確実に防止することができ、固体高分子電解質膜を保護することができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、燃料電池から流出した直後の冷却水の温度を検出し、この冷却水温度を燃料電池内部の温度とみなしたが、燃料電池内部の温度を直接検出する燃料電池温度検出手段を用いてもよい。
第１流路と第２流路とを切り替える切り替え手段は実施例の三方切替弁に限るものではない。

この発明に係る燃料電池システムの概略構成図であり、三方切替弁を第１流路に切り替えた状態を示す。 前記三方切替弁を第２流路に切り替えた状態を示す前記燃料電池システムの概略構成図である。 冷却水流路切り替え制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２４ 保温タンク（保温貯蔵手段）
２５，２６ 三方切替弁（切り替え手段）
２７ 貯蔵冷却水温度センサ（貯蔵温度検出手段）
２８ 燃料電池温度センサ（燃料電池温度検出手段）
３０ 冷却水循環流路
３１ 第１流路
３２ 第２流路

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環流路と、
   前記冷却水循環流路に設けらて冷却水を貯蔵し、外部から断熱されて、貯蔵された冷却水を保温する保温貯蔵手段と、
   前記保温貯蔵手段を介して前記冷却水が流れる第1流路と、前記保温貯蔵手段を介さず前記冷却水が流れる第2流路とを切替える切替え手段と、
   前記燃料電池内部の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
   を備え、
   前記燃料電池温度検出手段により検出された燃料電池内部の温度が所定温度以上になったときに、前記第1流路を介して前記冷却水を前記燃料電池に循環させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記保温貯蔵手段の内部の冷却水温度を検出する貯蔵温度検出手段を備え、
   前記燃料電池温度検出手段で検出された燃料電池内部の温度が、前記貯蔵温度検出手段で検出された冷却水温度よりも低いときに、前記切替え手段を前記第１流路に切替えて前記保温貯蔵手段の冷却水を入れ替え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. 前記切替え手段は、前記燃料電池の始動直後に、前記第1流路に切替えて前記保温貯蔵手段の冷却水を入れ替えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記所定温度は、前記燃料電池の耐久上限温度に設定されることを特徴とする請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 燃料電池内部の温度が低いときに燃料電池を循環する冷却水を保温貯蔵手段に貯蔵して保温しておき、
   前記燃料電池内部の温度が所定温度以上になったときに、前記保温貯蔵手段に貯蔵しておいた前記冷却水を前記燃料電池に導入することを特徴とする燃料電池の冷却方法。

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