JP2008282764A - 燃料電池冷却方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】固体高分子形燃料電池の冷却流路内の空気を追い出すとともに、燃料電池低負荷運転時の冷却液流量減少時の冷却性能低下を抑制する。
【解決手段】冷却液流に脈動を与える。冷却液流量が小さい時の脈動の振幅と周波数の少なくとも一方を大きい時のそれらと同等以上にする。
【効果】固体高分子形燃料電池の冷却流路内の空気を追い出すとともに、燃料電池低負荷運転時の冷却液流量減少時の冷却性能低下を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池冷却方法およびシステムに関するものである。

従来の冷却流路に冷却液を循環させて燃料電池を冷却する燃料電池冷却装置では、燃料電池冷却液流路内に発生した空気溜まりを追い出すために、冷却液に対して圧力変動及び流量変動を複数回与えることが提案されている。この圧力変動あるいは流量変動は、ポンプ回転数を変動させたり流路断面積を変動させることにより発生させるものであり、燃料電池ユニットの起動時、通常運転時あるいは停止時に数回連続させるものである（例えば特許文献１参照）。
特開２００６−１７９３３４号公報（２頁５〜６行、図２）

このような燃料電池においては脈動回数が数回のみであるので、脈動をさせた後の冷却液は定常流となり、気泡が冷却液流路に溜まりやすく、常に気泡溜まりの発生の有無を検出して、気泡溜まりが検出されると脈動を与えるという運転方法を取っていた。

しかし、燃料電池運転開始後、燃料電池における発熱反応による冷却液温度の上昇に伴い、冷却液中に溶存していた空気が燃料電池運転中に気泡となって出現し、間欠的な複数回の流量変動だけでは、この運転中の気泡発生に対して、燃料電池冷却液流路からの十分な除去作用が得られないという問題点があった。また、気泡溜まりの有無確認のため、専用の検出手段としての温度センサや圧力センサが必要とされ、余分なコストがかかるという問題点があった。

尚、冷却液流量が少ない部分負荷運転では、冷却液流速が遅くなって気泡が排出されにくくなるとともに、冷却能力が減少し、固体高分子膜が高温となって乾燥し、電池出力が低下するとともに固体高分子膜が劣化するという問題点が更に顕著化する傾向にあった。

従ってこの発明の目的は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池運転により冷却液温度が上昇しても、冷却液中気泡発生に対して、低コストで流路中の気泡の溜まり形成を防止し、冷却能力を改善する燃料電池冷却方法および燃料電池冷却システムを提供することである。

この発明の燃料電池冷却システムは、燃料電池を通して冷却液を流す冷却液流路と上記冷却液流路に冷却液を循環させるポンプとを備えた燃料電池冷却システムにおいて、上記燃料電池への冷却液供給量を常時脈動変化させるポンプ制御器を備えたことを特徴とする燃料電池冷却システムである。

この発明の燃料電池冷却方法は、燃料電池を通してポンプにより冷却液流路に冷却液を流す燃料電池冷却方法において、上記燃料電池への冷却液供給量を常時脈動変化させることを特徴とする燃料電池冷却方法である。

この発明によれば、常に冷却液に脈動を与えて供給することにより、周期的に冷却液供給圧力が増大して、燃料電池運転中に流路中の冷却液から発生する気泡を、燃料電池冷却液流路から、気泡溜まりに成長する以前に効率よく排出でき、また、冷却液流量が小さい時でも燃料電池を十分に冷却することが可能であり、固体高分子膜の乾燥を防ぎ、燃料電池を安定して運転でき、固体高分子膜の寿命も延ばすことができ、それを低コストで実施できる。

実施の形態１．
図１は本発明の一実施形態による固体高分子形燃料電池冷却システムを示す構成図である。燃料電池冷却システム１は、図示の例では固体高分子形の燃料電池２の構成部材である固体高分子膜（図示してない）にて発生する熱を取り去るための冷却システムである。燃料電池２の固体高分子膜は、セパレータ板３に設けられた冷却液流路４内を流れる冷却液によって冷却される。セパレータ板３の冷却液流路４は、入口マニホールド５と出口マニホールド６と入口および出口マニホールド５および６間の複数の流路７とを備えている。

燃料電池２を冷却して高温になった冷却液は燃料電池２の出口マニホールド６から排出され、燃料電池冷却システム１に戻される。燃料電池冷却システム１は、燃料電池２の冷却液流路４を通して冷却液を流す配管である冷却液通路８と、冷却液通路８に冷却液を循環させるポンプ９とを備えている。ポンプ９にはポンプ制御器１０が接続されていて、ポンプ制御器１０はポンプ９の回転数を変化させて冷却液の燃料電池２への供給量を常時脈動変化させるものである。このような冷却液の供給量の脈動は、燃料電池２内の冷却液流路４内に与えられるだけでなく、燃料電池２の外部の燃料電池冷却システム１の冷却液通路８内にも与えられるものである。

燃料電池冷却システム１は更に、燃料電池２の出口マニホールド６に接続された冷却液通路８に設けられ、燃料電池２を冷却して高温になった冷却液を冷却する冷却装置１１と、冷却装置１１の下流に設けられ、燃料電池２から排出されて気泡等を含む冷却液から気泡を取り除く気液分離器１２と備えている。気液分離器１２で気泡を除去された冷却液は冷却液通路８を通してポンプ９に戻され、再び燃料電池２に供給される。

ポンプ制御器１０は、冷却液の供給量が例えば通常運転時の供給量などの所定値よりも小さいときに、脈動変化の振幅および周波数の少なくともいずれか一方を通常運転時のそれぞれの値である所定値よりも大きくするように制御できるものである。

図２はこのような構成に於ける本発明の燃料電池冷却システムの運転方法即ち燃料電池冷却方法を示す説明図であり、具体的には冷却液流量の時間変化をグラフに示した図である。図から明らかなように、冷却液の燃料電池２への供給量が常時脈動変化させられている。

図２に示すように、実線で示す燃料電池の負荷が通常運転時の負荷よりも大きい場合の定常流の冷却液流量Ｑｈｓ（供給圧力Ｐｈｓ）は、破線で示す燃料電池の負荷が通常運転時の負荷よりも小さい場合の定常流の冷却液流量Ｑｌｓ（供給圧力Ｐｌｓ）よりも大きい。

また、本発明による冷却液流量Ｑｈｐは、定常流の冷却液流量Ｑｈｓに対して増減するように脈動しているので、例えば燃料電池の負荷が大きい場合の冷却液流量Ｑｈｐの最大値Ｑｈｍａｘは定常流の値Ｑｈｓよりも大きく、それに対応する最大冷却液供給圧力Ｐｈｐｍａｘも定常流供給圧力Ｐｈｓよりも大きくされている。その結果、燃料電池冷却液温度の上昇に伴って冷却液中に溶存していた空気が燃料電池運転中に燃料電池２の冷却液流路４内に気泡となって出現しても、その気泡に、脈動によるより大きな圧力を印加されることになり、冷却液流路４の途中で、気泡溜まりを形成することなく気泡のままで、冷却液流路４からの排出を容易にできる。また副次的効果として、脈動により冷却液流路４内の境界層の発達が妨げられて、熱伝達率が増大する。

この効果は、燃料電池２の負荷が小さい場合、冷却液流量脈動振幅を、燃料電池負荷が大きい場合のそれよりも大きくすることで、より顕著となる。

すなわち、燃料電池２の負荷が通常運転時の負荷よりも小さい時、定常流の冷却液流量Ｑｌｓに対して、脈動させた場合の流量Ｑｌｐの最大値Ｑｌｐｍａｘは、定常流の値Ｑｌｓよりも大きくなり、流量脈動の振幅｜Ｑｌｐｍａｘ−Ｑｌｓ｜を燃料電池の負荷が大きい時のそれ｜Ｑｈｐｍａｘ−Ｑｈｓ｜に比較して大きくすることで、負荷小の時の脈動流冷却液流量Ｑｌｐの最大値Ｑｌｐｍａｘを大きくすることができ、ひいては最大冷却液供給圧力Pｌｐｍａｘも大きくでき、冷却液流路４に存在する気泡により大きな圧力を印加することができ、その結果、低負荷時でも冷却液流路４中の気泡を容易に排出でき、また冷却液流路４における熱伝達も増加させることができる。

但し、この場合、脈動流冷却液流量Ｑｌｐの最小値Ｑｌｐｍｉｎは、冷却液入口マニホールド５の複数の冷却液流路４の入り口すべてを冷却液で覆うだけの流量であることが必要である。この流量は複数の冷却液流路４の圧力損失及びその下流の圧力損失の和、さらに冷却液入口マニホールド５の断面形状で決まる。

このように構成されたこの発明の燃料電池冷却システムによれば、ポンプ９の回転数を変化させることにより燃料電池２への冷却液供給量を常時脈動変化させることができ、また、冷却液供給量が所定値よりも小さいときに、脈動変化の振幅および周波数の少なくともいずれか一方を所定値よりも大きくすることができる。

このような燃料電池冷却システムによれば、燃料電池温度の高温化により電池運転中に流路内冷却液から気泡が発生しても、薄板冷却液流路内の気泡を容易に排出できるとともに、薄板冷却液流路の熱伝達率を大きくでき、その結果、固体高分子形燃料電池の冷却が十分に行え、固体高分子膜の乾燥を抑え、燃料電池を安定に運転できるとともに、燃料電池の劣化を抑制し、長寿命化できる。

また、冷却液供給量が所定値よりも小さいときに、脈動変化の振幅および周波数の少なくともいずれか一方を所定値よりも大きくすれば、燃料電池低負荷運転時の出力電圧を安定させることができる。

実施の形態２．
図３に示す例では、実線で示す燃料電池の負荷は通常運転時の負荷よりも大きい場合の定常流の冷却液流量Ｑｈｓ（供給圧力Ｐｈｓ）は、破線で示す燃料電池の負荷が通常運転時の負荷よりも小さい場合の定常流の冷却液流量Ｑｌｓ（供給圧力Ｐｌｓ）よりも大きくされており、また、燃料電池２への冷却液供給量を常時脈動変化させている。

この例においては、さきに図２に関連して説明したように燃料電池の負荷の大小に応じて冷却液流量の脈動の振幅を変えるだけでなく、ポンプ９の回転数を変化させて冷却液流量の脈動の周波数を変えており、燃料電池２の負荷が小さい時の冷却液流量の脈動の周波数ｆｌを、負荷が大きい時のそれｆｈよりも大きくしている。このため、これに対応する冷却液の供給圧力ＰｌｓおよびＰｌｐもまた脈動周波数が変えられている。

図４に示すように、脈動周波数を大きくすることで、定常流の熱伝達率ｈｓよりも脈動時の熱伝達率ｈｐを大きくすることができ（図では両者の比ｈｐ／ｈｓで表している）、固体高分子膜が冷却不足に陥ることなく、燃料電池温度上昇とそれに起因する固体高分子膜の乾燥、出力低下、固体高分子膜の乾燥劣化の不具合を避けることができ、燃料電池運転の安定化、燃料電池長寿命化を実現できる。

この発明の実施の形態１による燃料電池冷却システムを示す構成図である。 本発明の実施の形態１による燃料電池冷却システムの冷却液流量の時間変化を示す模式図である。 本発明の実施の形態２による燃料電池冷却システムの冷却液流量の時間変化を示す模式図の低負荷時の冷却液流量の脈動の周波数を大きくした時の冷却液流量の時間変化を示す説明図である。 本発明の実施の形態２による燃料電池冷却システムに於ける、定常流の熱伝達率と脈動時の熱伝達率の比に及ぼす冷却液流量の脈動周波数の関係を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池冷却システム、２ 燃料電池、３ セパレータ、４ 冷却流路、５ 冷却液入口マニホールド、６ 冷却液出口マニホールド、７ 流路、８ 冷却液通路、９ ポンプ、１０ ポンプ制御器、１１ 冷却装置、１２ 気液分離器。

Claims (6)

1. 燃料電池を通して冷却液を流す冷却液流路と、上記冷却液流路に冷却液を循環させるポンプとを備えた燃料電池冷却システムにおいて、
   上記燃料電池への冷却液供給量を常時脈動変化させるポンプ制御器を備えたことを特徴とする燃料電池冷却システム。
2. 上記ポンプ制御器が、上記ポンプの回転数を変化させて上記冷却液供給量の常時脈動変化をさせることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池冷却システム。
3. 上記ポンプ制御器が、上記冷却液供給量が上記燃料電池の定常運転時の冷却液供給量である所定値よりも小さいときに、上記脈動変化の振幅および周波数の少なくともいずれか一方を上記燃料電池の定常運転時の値である所定値よりも大きくすることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の燃料電池冷却システム。
4. 燃料電池を通してポンプにより冷却液流路に冷却液を流す燃料電池冷却方法において、
   上記燃料電池への冷却液供給量を常時脈動変化させることを特徴とする燃料電池冷却方法。
5. 上記ポンプの回転数を変化させて上記冷却液供給量の常時脈動変化させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池冷却方法。
6. 上記冷却液供給量が上記燃料電池の定常運転時の冷却液供給量である所定値よりも小さいときに、上記脈動変化の振幅および周波数の少なくともいずれか一方を上記燃料電池の定常運転時の値である所定値よりも大きくすることを特徴とする請求項４あるいは５に記載の燃料電池冷却方法。

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