JP2010140658A

JP2010140658A - 燃料電池システムの冷却装置

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Publication number: JP2010140658A
Application number: JP2008313225A
Authority: JP
Inventors: Teruaki Kawasaki; 輝明河崎; Shiro Yagawa; 士郎矢川; Takayuki Nishiyama; 隆之西山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-09
Also published as: JP5342223B2

Abstract

【課題】イオン交換器の寿命を延長することが可能な燃料電池システムの冷却装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１０を冷却する冷媒を循環させる冷媒循環配管Ｌ１〜Ｌ５と、冷媒循環配管Ｌ３からバイパスしたバイパス配管Ｌ１１，Ｌ１２に設けられ、冷媒循環配管Ｌ１〜Ｌ５を流れる冷媒中に存在するイオンを除去するイオン交換器１４と、冷媒循環配管Ｌ１〜Ｌ５を切換えてバイパス経路Ｌ１１，Ｌ１２に冷媒を流す電磁弁１５と、燃料電池システムの起動時に所定時間の間、電磁弁１５を制御してバイパス経路Ｌ１１，Ｌ１２に冷媒を通流し、所定時間経過後は、電磁弁１５を制御してバイパス経路Ｌ１１，Ｌ１２に冷媒を通流しないようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン交換器を備え、冷媒中のイオン除去を行う燃料電池システムの冷却装置に関する。

固体高分子型燃料電池を搭載した燃料電池システムは、発電する際に生じた熱を冷却するための冷却装置を備えている。この冷却装置は、燃料電池内に冷媒が通流する流路を形成し、この流路に冷媒を循環させることで、燃料電池が発電に最適な温度範囲となるように制御している。しかし、燃料電池は高電位状態となり、配管などの材料成分が冷媒に溶出して、冷媒を介して漏電する可能性があるため、イオン交換器に冷媒を通して冷媒中のイオンを除去することが行われている。

例えば、特許文献１では、冷媒が循環する流路に並列に形成されたバイパス経路にイオン交換器を設け、導電率センサによって導電率が所定値以上であることを検知したときに、流路をバイパス経路に切り替えるという技術が提案されている。
特開２００８−２４３４３１号公報（図１）

しかしながら、従来の燃料電池システムの冷却装置では、導電率センサの設置が必要となり、しかも導電率センサによる監視では局部的な監視であるためシステム全体の数値を反映したものにはならないという問題があった。さらに、導電率の監視のみでは、イオン交換器の交換時期の判断が困難であるという問題もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、イオン交換器の寿命を延ばすことが可能な燃料電池システムの冷却装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池を冷却する冷媒を循環させる冷媒循環路と、前記冷媒循環路からバイパスしたバイパス経路に設けられ、前記冷媒循環路を流れる冷媒中に存在するイオンを除去するイオン交換器と、を備えた燃料電池システムの冷却装置において、前記冷媒循環路を切換えて前記バイパス経路に前記冷媒を流す流路切換え手段と、前記燃料電池システムの起動時に所定時間の間、前記流路切換え手段を制御して前記バイパス経路に前記冷媒を通流し、前記所定時間経過後は、前記流路切換え手段を制御して前記バイパス経路に前記冷媒を通流しないようにする流路切換え制御手段と、を備えたことを特徴とする。

これによれば、燃料電池システムの起動時の所定時間のみ低温冷媒をイオン交換器に通流させるので、イオン交換器への熱負荷を低減し、イオン交換樹脂の熱劣化によるイオン吸着容量の低下を防止でき、イオン交換器の寿命を延ばすことが可能になる。

また、前記冷媒は、分子内に少なくとも１個の硫黄原子を持つ含硫アルコールまたは含硫フェノールを含有することを特徴とする。これによれば、酸化が抑制される冷媒を適用することで、長期間の使用においても、低導電率を維持することができる。

また、前記冷媒循環路は、ラジエータと、前記ラジエータをバイパスするラジエータバイパス経路とを備え、前記ラジエータバイパス経路側に冷媒が通流したときにも前記バイパス経路への流路切換えが可能な位置に前記バイパス経路が設けられており、前記冷媒の温度が所定温度未満のときに前記冷媒を前記ラジエータバイパス経路に通流させ、前記冷媒の温度が所定温度以上のときに前記冷媒を前記ラジエータに通流させ、前記所定時間は、前記冷媒の温度が前記所定温度となるまでの時間として定められることを特徴とする。これによれば、イオン交換器のイオン交換樹脂が熱分解する温度を超えない所定温度に設定することで、イオン交換樹脂の熱劣化によるイオン吸着容量の低下を防止でき、イオン交換器の寿命を延ばすことが可能になる。なお、所定時間は、冷媒が冷媒循環路を一巡する時間として定めてもよい。

本発明によれば、イオン交換器の寿命を延長することが可能な燃料電池システムの冷却装置を提供できる。

（第１実施形態）
図１は本実施形態の燃料電池システムの冷却装置を示す全体構成図、図２は燃料電池システムの起動時の制御を示すフローチャートである。なお、本実施形態では、燃料電池自動車などの車両に搭載した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、または家庭用や業務用の定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムの冷却装置１は、燃料電池１０の冷却系として用いられ、冷媒循環配管Ｌ１〜Ｌ５（冷媒循環路）、ウォータポンプ１１、サーモスタット弁１２、ラジエータ１３、イオン交換器１４、電磁弁１５（流路切換え手段）、制御部１６（流路切換え制御手段）、温度センサ１７などで構成されている。なお、燃料電池システムは、水素供給装置２０、空気供給装置３０などを備えている。

冷媒循環配管Ｌ１は、一端が燃料電池１０の冷媒流路１０ａの出口１０ａ１に接続され、他端がウォータポンプ１１（Ｗ／Ｐ）に接続されている。ウォータポンプ１１は、モータを駆動させることにより、燃料電池１０を冷却する冷媒を循環させる機能を有している。冷媒循環配管Ｌ２は、一端がウォータポンプ１１と接続され、他端がサーモスタット弁１２と接続されている。サーモスタット弁１２は、例えば、内部のワックスの体積が温度によって変化することにより流路の切換えがなされるものである。冷媒循環配管Ｌ３は、一端がサーモスタット弁１２と接続され、他端が燃料電池１０の冷媒流路１０ａの入口１０ａ２と接続されている。

また、冷媒循環配管Ｌ３に対してラジエータ１３が並列に配置され、ラジエータ１３の冷媒の入口が冷媒循環配管Ｌ４を介してサーモスタット弁１２と接続され、ラジエータ１３の冷媒の出口が冷媒循環配管Ｌ５を介して冷媒循環配管Ｌ３と接続されている。なお、本実施形態において、サーモスタット弁１２と冷媒循環配管Ｌ５との間の冷媒循環配管Ｌ３が、ラジエータバイパス配管（ラジエータバイパス経路）Ｌ６に相当する。

イオン交換器１４は、容器に粒状のイオン交換樹脂が充填されたものであり、冷媒循環配管Ｌ３に並列に配置され、バイパス配管Ｌ１１，Ｌ１２（バイパス経路）を介して冷媒循環配管Ｌ３に接続されている。なお、バイパス配管Ｌ１１，Ｌ１２は、ラジエータバイパス配管Ｌ６に冷媒が通流したときに、バイパス配管Ｌ１１，Ｌ１２側に冷媒を流すことができる位置に設けられている。つまり、イオン交換器１４は、冷媒循環配管Ｌ４，Ｌ５に並列に配置して設けられるものではない。また、イオン交換器１４は、冷媒循環配管Ｌ３に並列に設けられるものに限定されず、ラジエータバイパス配管Ｌ６（Ｌ３）に並列に設けられるものであってもよい。

電磁弁１５は、後記する制御部１６によって開閉制御され、イオン交換器１４の入口側のバイパス配管Ｌ１１に設けられている。ちなみに、イオン交換器１４は、イオン交換樹脂間の空隙を冷媒が流れるように構成されているが、冷媒の流れに直交する断面積を大きく確保することによって、見かけ上の流速を落とすことができ、これにより電磁弁１５を開弁したときにイオン交換器１４側に冷媒が積極的に流れるようになっている。

なお、電磁弁１５は、イオン交換器１４の入口側に設けるものに限定されず、出口側のバイパス配管Ｌ１２に設けてもよい。また、電磁弁１５に替えて、冷媒循環配管Ｌ３とバイパス配管Ｌ１１との分岐部分ｓ１に、あるいは冷媒循環配管Ｌ３とバイパス配管Ｌ１２との合流部分ｓ２に、３方弁を設けるようにしてもよい。

本実施形態における冷媒としては、分子内に少なくとも１個の硫黄原子を持つ含硫アルコールまたは含硫フェノールを含有するものを用いることが好ましい。

制御部１６は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成され、電磁弁１５を開閉し、ウォータポンプ１１のモータ（不図示）の回転速度を制御し、温度センサ１７によって燃料電池１０の出口側の冷媒の温度を監視する。

次に、本実施形態の燃料電池システムの冷却装置１の動作について図２を参照して説明する。なお、燃料電池システムの停止時には、水素供給装置２０からアノードへの水素の供給が停止され、空気供給装置３０からカソードへの空気の供給が停止され、発電が停止している。また、電磁弁１５が閉弁した状態において、ウォータポンプ１１が停止しており、冷媒の循環が停止している。なお、以下では、燃料電池１０の暖機が行われる場合を前提として説明する。

制御部１６は、イグニッションスイッチのオン状態（ＩＧ−ＯＮ、燃料電池システムの起動）を検知すると、ステップＳ１に進み、電磁弁１５を開弁するとともに、ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）１１を駆動する。これにより、冷媒は、燃料電池１０内の冷媒流路１０ａ、冷媒循環配管Ｌ１，Ｌ２、ラジエータバイパス配管Ｌ６を含む冷媒循環配管Ｌ３、およびバイパス配管Ｌ１１を通ってイオン交換器１４に導入される。イオン交換器１４では、冷媒から導電率を悪化（絶縁抵抗値を低下）させるイオンが除去されて、冷媒が浄化される。そして、浄化された冷媒は、バイパス配管Ｌ１２、冷媒循環配管Ｌ３を通って燃料電池１０の入口１０ａ２に戻る。なお、冷媒の温度Ｔｗは所定温度未満であるので、サーモスタット弁１２は、冷媒循環配管Ｌ４への流路は閉じており、燃料電池１０からサーモスタット弁１２に至った冷媒は、ラジエータバイパス配管Ｌ６（冷媒循環配管Ｌ３）側にのみ通流する。

ちなみに、冷媒をイオン交換器１４に通すのは、冷媒の劣化を防止するためである。本実施形態における冷媒の劣化とは、導電率の悪化（絶縁抵抗値の低下）を意味しており、放熱性能に関わる劣化を意味していない。また、導電率の悪化は、配管などの材料成分が冷媒に溶出することがひとつの要因として挙げられる。

そして、ステップＳ２に進み、制御部１６は、冷媒の温度Ｔｗが所定温度未満であるか否かを判断する。なお、所定温度とは、暖機が完了したと判断できる温度であり、燃料電池１０から安定して電力を取り出すことができる温度に設定される。所定温度は、例えば６０℃に設定されるが、氷点下以上の温度（凍結しない温度）であってもよい。また、所定温度は、暖機完了判断可能な温度に限定されるものではなく、イオン交換器１４の熱劣化によるイオン吸着量の低下を防止できる温度を超えない温度に設定してもよい。

ステップＳ２において、制御部１６は、冷媒の温度Ｔｗが所定温度未満であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２の処理を繰り返し、冷媒の温度Ｔｗが所定温度以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、制御部１６は、電磁弁１５を閉じる制御を行う。これにより、イオン交換器１４への冷媒の通流が遮断され、燃料電池１０の出口１０ａ１から排出された冷媒は、冷媒循環配管Ｌ１，Ｌ２、ラジエータバイパス配管Ｌ６、冷媒循環配管Ｌ３を通って、燃料電池１０の入口１０ａ２に戻る。

なお、冷媒の温度Ｔｗが所定温度を超えると、サーモスタット弁１２から冷媒循環配管Ｌ４への流量が温度上昇に応じて徐々に増加するとともにラジエータバイパス配管Ｌ６への流量が徐々に減少し、冷媒がラジエータ１３を通ることによって放熱が促進され、燃料電池１０の過度な温度上昇が抑えられる。

本実施形態の燃料電池システム冷却装置１によれば、イオン交換器１４への熱負荷を低減し、イオン交換樹脂の熱劣化によるイオン吸着容量の低下を防止することにより、イオン交換器の寿命を延ばすことが可能になる。また、イオン交換器１４の寿命を従来と同じに確保する場合、イオン交換器に充填されるイオン交換樹脂量を減らすことができ、イオン交換器１４の小型化が可能になる。

さらに本実施形態によれば、冷媒をイオン交換器１４に通流して冷媒を浄化した後は、イオン交換器１４への冷媒の通流を遮断するので、暖機後の冷却系の圧力損失を低減でき、燃料電池１０への冷媒流量の確保が容易になる。また、圧力損失の低減により、配管径の縮小、ウォータポンプ１１の小型化などによって冷却装置１の小型・軽量化が可能となる。また、ウォータポンプ１１の小型化によって消費電力を削減することもできる。

さらに本実施形態によれば、冷媒のイオン交換器１４への通流を、車両の起動時のみ行うことで、イオン交換器１４の寿命（新品への交換時期）を車両の起動回数のみをパラメータとして判定することが可能になる。

図３は燃料電池システムの冷却装置における起動時の別の制御を示すフローチャートである。図３に示すステップＳ１０とＳ３０は、図２に示すステップＳ１とＳ３と同様であるので、その説明を省略する。

図３のステップＳ２０において、制御部１６は、ウォータポンプ１１の駆動を開始してから所定時間が経過したか否かを判断する。なお、このときの所定時間は、冷媒循環配管Ｌ１〜Ｌ３を一巡する時間に設定される。一巡する時間は、例えば、冷媒循環配管Ｌ１〜Ｌ３の容積と、冷媒が流れる流速とで定められる。この所定時間をどのような値にするかは、事前の実験やシミュレーションなどにより決めることができる。なお、冷媒を一巡させる場合には、低温時に行うことが熱害を防止する点において好ましい。なお、図３に示す制御の場合も、図２の場合と同様な効果が得られる。

なお、本実施形態では、冷媒をイオン交換器１４に通流させる時間として、暖機完了判断可能な温度に至るまでの時間や冷媒が一巡する時間を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、冷媒をイオン交換器１４に通流する時間を、イグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されてからイグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）されるまでの発電停止時間に基づいて決定してもよい。つまり、発電停止時間が長くなるにつれて、イオン交換器１４に通流する時間を長く設定する。

また、本実施形態では、バイパス配管Ｌ１１，Ｌ１２およびイオン交換器１４を、ラジエータバイパス配管Ｌ６に対して直列に設置して、サーモスタット弁１２で電磁弁１５を兼用するようにしてもよい。

また、本実施形態では、温度（Ｔｗ）や時間に基づいて電磁弁１５を制御する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、ワックスタイプやバイメタルタイプのサーモスタット弁を用いてもよい。

本実施形態の燃料電池システムの冷却装置を示す全体構成図である。燃料電池システムの冷却装置における起動時の制御を示すフローチャートである。燃料電池システムの冷却装置における起動時の別の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システムの冷却装置
１０燃料電池
１３ラジエータ
１４イオン交換器
１５電磁弁（流路切換え手段）
１７温度センサ
Ｌ１〜Ｌ５冷媒循環配管（冷媒循環路）
Ｌ６ラジエータバイパス配管（ラジエータバイパス経路）
Ｌ１，Ｌ１２バイパス配管（バイパス経路）

Claims

燃料電池を冷却する冷媒を循環させる冷媒循環路と、
前記冷媒循環路からバイパスしたバイパス経路に設けられ、前記冷媒循環路を流れる冷媒中に存在するイオンを除去するイオン交換器と、を備えた燃料電池システムの冷却装置において、
前記冷媒循環路を切換えて前記バイパス経路に前記冷媒を流す流路切換え手段と、
前記燃料電池システムの起動時に所定時間の間、前記流路切換え手段を制御して前記バイパス経路に前記冷媒を通流し、前記所定時間経過後は、前記流路切換え手段を制御して前記バイパス経路に前記冷媒を通流しないようにする流路切換え制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムの冷却装置。
前記冷媒は、分子内に少なくとも１個の硫黄原子を持つ含硫アルコールまたは含硫フェノールを含有す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の冷却装置。
前記冷媒循環路は、ラジエータと、前記ラジエータをバイパスするラジエータバイパス経路とを備え、
前記ラジエータバイパス経路側に冷媒が通流したときにも前記バイパス経路への流路切換えが可能な位置に前記バイパス経路が設けられており、
前記冷媒の温度が所定温度未満のときに前記冷媒を前記ラジエータバイパス経路に通流させ、
前記冷媒の温度が所定温度以上のときに前記冷媒を前記ラジエータに通流させ、
前記所定時間は、前記冷媒の温度が前記所定温度となるまでの時間として定められ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の冷却装置。
前記所定時間は、前記冷媒が前記冷媒循環路を一巡する時間として定められ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の冷却装置。