JP2008103088A - 燃料電池用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの耐久性を高めつつ、冷却媒体の絶縁性を高く維持する。
【解決手段】冷却媒体中のイオンの交換を行うイオン交換器１８と、互いに異なる流路断面積を有する複数のオリフィス２４ａ，２４ｂと、複数のオリフィス２４ａ，２４ｂを切り替えて、イオン交換器１８へ供給される冷却媒体の量を制御する三方弁２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用冷却装置に関する。

燃料電池を搭載した電気自動車やハイブリッド自動車が開発されている。一般的に燃料電池セルは、電解質膜と、燃料極（アノード極）と、空気極（カソード極）と、外部回路とを有する。アノード極に水素ガス等の燃料ガスを供給し、カソード極に空気等の酸化性ガスを供給することによって発電が行われる。アノード極側では、水素イオンと電子とにする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に移動し、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水を生成する反応が行われる。このような反応によって電気エネルギーが発生する。

燃料電池を搭載する車両には、燃料電池を適切な温度範囲に維持するための冷却装置が設けられる。特許文献１には、無駄な消費エネルギーを抑制する燃料電池用冷却装置が開示されている。熱交換器から排出された１次冷却媒体の一部を連通路を介してイオン交換器に流入させ、連通路に配置された可変オリフィスを備えた流量レギュレータによって、イオン交換器に流入させる１次冷却媒体の流量を一定に保つ。

特開２００２−１００３８３号公報

ところで、一般的な燃料電池システムでは、イオン交換器を通る冷却媒体の流量は循環ポンプの回転数に比例する。したがって、循環ポンプが低回転数であるときにイオン交換器への冷却媒体の流量が適正量となるように調整した場合、高回転数となったときに流量が定格値を超えて、イオン交換器に不具合が生ずるおそれがあった。一方、循環ポンプが高回転数であるときにイオン交換器への冷却媒体の流量が適正量となるように調整した場合、低回転数となったときに流量が不足するおそれがあった。

また、特許文献１に記載の発明では、循環ポンプによる冷却媒体の圧力の変化を利用して連通路に設けられたオリフィスを変化させてイオン交換器への冷却媒体の流量を調整する。しかしながら、可変オリフィスを用いた場合、その摺動部に冷却媒体内に存在する異物等が詰まり、冷却媒体の絶縁性を維持できなくなったり、システムの耐久性が低下したりする問題が起こり得た。また、可変オリフィスは、その内部機構が複雑であり、故障が生じた場合には修理や交換のコストが高いという問題がある。

本発明は、燃料電池システムにおける冷却媒体の絶縁抵抗をより正確に管理することを可能とする燃料電池用冷却装置及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、冷却媒体を循環させて燃料電池を冷却する燃料電池用冷却装置であって、冷却媒体を循環させる循環ポンプと、冷却媒体に対して熱交換を行う熱交換機と、冷却媒体中のイオンの交換を行うイオン交換器と、互いに異なる流路断面積を有する複数のオリフィスと、前記複数のオリフィスを切り替えて、前記イオン交換器へ供給される冷却媒体の量を制御する切替弁と、を備えることを特徴とする。

このように、複数のオリフィスを切り替えて、イオン交換器への冷却媒体の流量を制御することによって、可動部を有する流量レギュレータを用いる場合に比べて、システムの耐久性を高めることができる。また、修理や交換のコストを低減することができる。

ここで、前記切替弁は、前記循環ポンプの入口と出口との冷却媒体の圧力差に基づいて切り替え制御されることが好適である。

また、前記切替弁は、さらに、冷却媒体の絶縁抵抗に基づいて切り替え制御されることが好適である。例えば、燃料電池を停止させた後に再起動させる際には、燃料電池の停止時間に応じて冷却媒体の絶縁抵抗が低下すると推定できるので、前記切替弁は、さらに、燃料電池の停止時間に基づいて切り替え制御されるようにしてもよい。

また、前記複数のオリフィスには、流路断面積が互いに４倍〜１０倍程度異なるオリフィスが含まれていることが好適である。車両等に搭載される燃料電池システムでは、流路断面積が互いに４倍〜１０倍程度異なるオリフィスを切り替えることによって、循環ポンプの出力に応じてイオン交換器への流量を適切に制御することができる。

本発明によれば、燃料電池システムの耐久性を高めつつ、冷却媒体の絶縁性を高く維持することができる。

［構成］
本発明の実施の形態における燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０、循環ポンプ１２、熱交換器１４、温調器１６、イオン交換器１８、差圧測定器２０、三方弁２２及びオリフィス２４ａ，２４ｂを含んで構成される。

燃料電池１０は、複数のセルが積層されたセル積層構造を有する。各セルは、酸素含有ガス（空気等）の供給を受けるカソード側セパレータと、水素含有ガス（水素ガス等）の供給を受けるアノード側セパレータと、カソード側セパレータとアノード側セパレータとに挟まれた膜・電極接合体（ＭＥＡ）と、を含んで構成される。膜・電極接合体（ＭＥＡ）は、ガス拡散層、カソード側電極触媒層、水素イオン交換膜、アノード側電極触媒層、ガス拡散層を順に積層した構造を有する。

燃料電池１０に接続される循環ポンプ１２、熱交換器１４及び温調器１６は１次冷却系を構成する。一次冷却系は、循環ポンプ１２、燃料電池１０内の冷却媒体流路１０ａ、熱交換器１４及び温調器１６を順に通過して循環ポンプ１２に還る流路を主経路としている。循環ポンプ１２は、１次冷却系を流れる冷却媒体を循環させる。熱交換器１４は、ラジエータ、電動冷却ファン等を含んで構成され、１次冷却系を循環する冷却媒体を冷却する。冷却媒体は、電気的な絶縁性を有する液体とする。例えば、不純物の含有量の少ない純水やエチレングリコール、又は、これらの混合液とすることが好ましい。

主経路には、熱交換器１４をバイパスするバイパス路３０が設けられている。バイパス路３０と主経路の合流点には温調器１６が設けられている。温調器１６は、サーモスタット等を含んで構成され、主経路を流れる冷却媒体の温度に応じてバイパス路３０を流れる冷却媒体と主経路を流れる冷却媒体との流量比を調節する。これによって、燃料電池１０の冷却媒体流路１０ａを流れる冷却媒体の温度を所定の温度（６０℃〜７０℃程度）に維持する。

また、冷却媒体の循環の上流側から順に三方弁２２、オリフィス２４ａ，２４ｂ及びイオン交換器１８を介して、バイパス路３０と並列に燃料電池１０をバイパスする連通路３２が設けられる。三方弁２２は、差圧測定器２０からの制御信号に応じて、２つ設けられている冷却媒体出力口のいずれかを選択し、冷却媒体を選択された冷却媒体出力口のみから流出させる。オリフィス２４ａ，２４ｂは並列に接続されて連通路３２に接続される。オリフィス２４ａ，２４ｂは、三方弁２２によって流路が切り替えられることで、冷却媒体がオリフィス２４ａ，２４ｂのいずれか一方を通過してイオン交換器１８へ流入するように配置される。オリフィス２４ａ，２４ｂは互いに異なる流路断面積を有しており、オリフィス２４ａ，２４ｂを切り替えることによって連通路３２を流れる冷却媒体の流量を調整することを可能としている。本実施の形態ではオリフィス２４ａがオリフィス２４ｂよりも大きな流路断面積を有しているものとする。イオン交換器１８は、イオン交換膜やイオン交換樹脂を含んで構成され、通過する冷却媒体に含まれる金属イオン等を他のイオンに交換することによって冷却媒体の純度を高め、冷却媒体の絶縁抵抗を高める作用を有する。

また、循環ポンプ１２には差圧測定器２０が設けられる。差圧測定器２０は、循環ポンプ１２の冷却媒体吸入口と冷却媒体吐出口とにおける冷却媒体の圧力差、すなわち冷却媒体の差圧を検出し、その値に応じて出力流路を選択するための制御信号を三方弁２２へ出力する。

［作用］
ところで、燃料電池１０の出力が増加すると、燃料電池１０の冷却を高める必要がある。そこで、循環ポンプ１２の回転数を上げ、循環ポンプ１２からの冷却媒体の吐出圧力を高くして、冷却媒体の循環量を多くする。逆に、燃料電池１０の出力が低下すると、燃料電池１０の冷却を抑え、循環ポンプ１２による消費電力を抑える必要がある。そこで、循環ポンプ１２の回転数を下げ、循環ポンプ１２による冷却媒体の吐出圧力を低く抑えて、冷却媒体の循環量を少なくする。このような循環ポンプ１２の出力の制御の他、温調器１６によってバイパス路３０を介して熱交換器１４をバイパスする冷却媒体の量を調節する。これらの処理によって、熱交換器１４を流れる冷却媒体の流量を調節することで、熱交換器１４における放熱を調整し、燃料電池１０の冷却媒体流路１０ａを流れる冷却媒体の温度を所定の温度（６０℃〜７０℃程度）に維持する。

本システムでは、差圧測定器２０によって循環ポンプ１２の出力側と入力側との冷却媒体の圧力差が検出される。差圧測定器２０は、燃料電池１０の出力が比較的高い場合、すなわち差圧が所定の圧力値Ｐｒ以上の場合には、三方弁２２に対してオリフィス２４ｂへ冷却媒体が供給されるように弁を切り替えるための制御信号を出力する。三方弁２２は、その制御信号を受けると、弁をオリフィス２４ｂ側へ切り替える。これによって、循環ポンプ１２から吐出された冷却媒体の一部はオリフィス２４ｂを介してイオン交換器１８へ流れるように制御される。

一方、循環ポンプ１２からの冷却媒体の吐出圧力を調整する際に差圧測定器２０によって検出された圧力差が所定の圧力値Ｐｒよりも低下すると、差圧測定器２０は、三方弁２２に対してオリフィス２４ａへ冷却媒体が供給されるように弁を切り替えるための制御信号を出力する。三方弁２２は、その制御信号を受けると、弁をオリフィス２４ａ側へ切り替える。これによって、循環ポンプ１２から吐出された冷却媒体の一部はオリフィス２４ａを介してイオン交換器１８へ流れるように制御される。

図２に、循環ポンプ１２の回転数と、イオン交換器１８へ流れる冷却媒体の流量と、の関係を示す。オリフィス２４ａ，２４ｂのいずれを通る場合においても、循環ポンプ１２の回転数が増加するにつれて冷却媒体の流量は増加する傾向を示す（図２中のラインＡ，Ｂ）。循環ポンプ１２の回転数が所定の値となった場合、すなわち循環ポンプ１２の吐出口と吸入口との差圧が所定の圧力差Ｐｒとなった場合に、三方弁２２を動作させて使用するオリフィス２４ａとオリフィス２４ｂとを切り替えることによって、循環ポンプ１２の回転数が所定の値以上ではオリフィス２４ｂの冷却媒体の流量特性となるようにし、循環ポンプ１２の回転数が所定の値未満ではオリフィス２４ａの冷却媒体の流量特性となるようにする（図２中の実線で示す特性）。このとき、図２に示すように、循環ポンプ１２の回転数や圧力差によらず、イオン交換器１８を流れる冷却媒体の流量が最低流量値ＦＬを下回らないように、オリフィス２４ａ，２４ｂの流路断面積や切り替えの基準となる圧力差Ｐｒを設定する。

以上のように、本実施の形態における燃料電池冷却装置によれば、イオン交換器１８を流れる冷却媒体の流量を必要量以上に保つことができる。これによって、イオン交換器１８による冷却媒体の純化を必要最低限以上に維持することができ、循環ポンプ１２の出力が低い場合においても冷却媒体の絶縁性を維持することができる。

また、燃料電池１０の出力が低い場合等において循環ポンプ１２の出力を必要以上に高くする必要がなくなり、システム全体の電力消費を抑制することができる。

さらに、可変オリフィスを用いることなく、三方弁等の手段に複数のオリフィスを切り替えてイオン交換器への流量を制御することによって、可変オリフィスの摺動部に冷却媒体内に存在する異物等が詰まり、冷却媒体の絶縁性を維持できなくなったり、システムの耐久性が低下したりする問題を回避することができる。

なお、上記実施の形態では、燃料電池システムに設けられた循環ポンプ１２の入口と出口の差圧に基づいて三方弁２２を切り替えるものとしたが、循環ポンプ１２の回転数に応じて三方弁２２の切り替え制御を行うものとしてもよい。すなわち、循環ポンプ１２の回転数が高いほど差圧が高くなったのと同様に制御を行う。

＜変形例＞
上記実施の形態では、燃料電池システムに設けられた循環ポンプ１２の入口と出口の差圧に基づいて三方弁２２を切り替えるものとしたが、これに限定されるものではない。さらに、冷却媒体の絶縁抵抗に基づいて三方弁２２の切り替えを制御するものとしてもよい。

図３に、変形例における燃料電池システムのブロック図を示す。図３に示すように、燃料電池１０に冷却媒体の絶縁抵抗センサ４０を設けられている。

ＥＣＵ（電子制御ユニット）４２には、絶縁抵抗センサ４０で検知された冷却媒体の絶縁抵抗値Ｒが入力される。また、ＥＣＵ４２には、差圧測定器２０によって循環ポンプ１２の出力側と入力側との冷却媒体の圧力差Ｐとに基づいて三方弁２２の切り替えを制御する。

具体的には、上記実施の形態と同様に、循環ポンプ１２の回転数が所定の値となった場合、すなわち循環ポンプ１２の吐出口と吸入口との差圧が所定の圧力差Ｐｒとなった場合に、三方弁２２を動作させて使用するオリフィス２４ａとオリフィス２４ｂとを切り替える。すなわち、圧力差Ｐｒに対応する循環ポンプ１２の回転数以上ではオリフィス２４ｂの冷却媒体の流量特性となるようにし、圧力差Ｐｒに対応する循環ポンプ１２の回転数未満ではオリフィス２４ａの冷却媒体の流量特性となるようにする。

ここで、本変形例では、冷却媒体の絶縁抵抗値Ｒが低下するほど閾値となる圧力差Ｐｒを高く設定する。これによって、冷却媒体の絶縁抵抗値Ｒが低下しているほど、循環ポンプ１２の回転数が低下していてもイオン交換器１８を流れる冷却媒体の流量がより多くなるように制御することができる。したがって、冷却媒体の絶縁抵抗が低下した場合に冷却液中に不純物をより早く除去して、絶縁抵抗を迅速に回復させることができる。

なお、本変形例では、燃料電池１０に絶縁抵抗センサ４０を設ける構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池１０を停止させた後に再起動させる際には、燃料電池１０の停止時間に応じて冷却媒体の絶縁抵抗が低下すると推定できるので、燃料電池１０の停止時間に応じて三方弁２２を切り替える閾値となる圧力差Ｐｒを設定してもよい。このとき、燃料電池１０の停止時間が長くなるほど閾値となる圧力差Ｐｒを低く設定することが好適である。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施形態における循環ポンプの回転数とイオン交換器を流れる冷却媒体の流量との関係を示す図である。 本発明の変形例における燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の変形例における循環ポンプの回転数とイオン交換器を流れる冷却媒体の流量との関係を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、１０ａ 冷却媒体流路、１２ 循環ポンプ、１４ 熱交換器、１６ 温調器、１８ イオン交換器、２０ 差圧測定器、２２ 三方弁、２４ａ，２４ｂ オリフィス、３０ バイパス路、３２ 連通路、４０ 絶縁抵抗センサ、４２ ＥＣＵ。

Claims (5)

1. 冷却媒体を循環させて燃料電池を冷却する燃料電池用冷却装置であって、
   冷却媒体を循環させる循環ポンプと、
   冷却媒体に対して熱交換を行う熱交換機と、
   冷却媒体中のイオンの交換を行うイオン交換器と、
   互いに異なる流路断面積を有する複数のオリフィスと、
   前記複数のオリフィスを切り替えて、前記イオン交換器へ供給される冷却媒体の量を制御する切替弁と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用冷却装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池用冷却装置であって、
   前記切替弁は、前記循環ポンプの入口と出口との冷却媒体の圧力差に基づいて切り替え制御されることを特徴とする燃料電池用冷却装置。
3. 請求項２に記載の燃料電池用冷却装置であって、
   前記切替弁は、さらに、冷却媒体の絶縁抵抗に基づいて切り替え制御されることを特徴とする燃料電池用冷却装置。
4. 請求項２に記載の燃料電池用冷却装置であって、
   前記切替弁は、さらに、燃料電池の停止時間に基づいて切り替え制御されることを特徴とする燃料電池用冷却装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池用冷却装置であって、
   前記複数のオリフィスには、流路断面積が互いに４倍〜１０倍程度異なるオリフィスが含まれていることを特徴とする燃料電池用冷却装置。
   

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