JP2010272460A

JP2010272460A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010272460A
Application number: JP2009125188A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imanishi; 啓之今西; Yasuhiro Osada; 康弘長田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: JP5397680B2

Abstract

【課題】燃料電池とコンバータの温度制御を最適化しつつ冷却系の小型化を実現する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２の出力電圧を変圧するコンバータ３２と、第１の温度調整装置４４にて温度調整された冷媒を燃料電池２に供給する第１の流路４１と、第１の流路４１の途中から分岐し、冷媒をコンバータ３２に供給する第２の流路４２と、第２の流路４２に設けられ、コンバータ３２に供給する冷媒の温度を調整する第２の温度調整装置４６とを備えた燃料電池システム１を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムおいては、燃料電池の出力電圧を所望の電圧に変圧するためにコンバータが用いられている。

ここで、燃料電池やコンバータは、駆動により発熱を伴うので冷却が必要になる。このとき、燃料電池とコンバータとでは稼動温度が異なることから、燃料電池用の冷却水路とコンバータ用の冷却水路と別々に設け、それぞれ独立して冷却を行うことが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００５−３４６９４８号公報

しかしながら、上記のような従来の冷却構造では、燃料電池の温度とコンバータの温度を別々に制御できるものの、燃料電池用の冷却系及びコンバータ用の冷却系の別々の系が必要であり、システムが全体として大型化してしまう要因となっていた。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池とコンバータの温度制御を最適化しつつ冷却系の小型化を実現する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータと、第１の温度調整装置にて温度調整された冷媒を前記燃料電池に供給する第１の流路と、前記第１の流路の途中から分岐し、前記冷媒を前記コンバータに供給する第２の流路と、前記第２の流路に設けられ、前記コンバータに供給する冷媒の温度を調整する第２の温度調整装置と、を備えた燃料電池システムを構成する。

上記構成によれば、第１の温度調整装置にて温度調整され第１の流路を流れる冷媒によって燃料電池の温度を制御しつつ、第２の温度調整装置にて温度調整され第２の流路を流れる冷媒によってコンバータの温度を制御することができる。すなわち、燃料電池、コンバータそれぞれの稼動温度を個別に制御することができる。また、第１の温度調整装置から第２の流路との分岐までは第１の流路のみの一つの流路が配置され、分岐以降は、第１の流路と第２の流露とが並列して配置されており、言い換えれば、燃料電池の冷却系とコンバータの冷却系が一体的に形成されている。このため冷却系の小型化が可能になり、また燃料電池とコンバータとを近接配置しやすくなる。ひいては、燃料電池システム全体を小型化することができる。

また、上記構成において、前記第１の流路は、前記第２の流路が分岐する分岐点の上流に設けられ、下流に供給する冷媒の流量を調整する流量調整装置と、前記分岐点に設けられ、前記第１または第２の流路に分配する冷媒の流量を調整する分配装置と、を備えるようにしてもよい。

上記構成によれば、流量調整装置と分配装置とにより、燃料電池及びコンバータそれぞれに供給する冷媒の流量を適宜制御することができる。例えば、流量調整装置により燃料電池の冷却に必要な冷媒流量Ｑ_FC及びコンバータの冷却に必要な冷媒流量Ｑ_CVの総流量（Ｑ_FC＋Ｑ_CNV）を調整して第１の流路に供給し、分配装置にてコンバータに必要な流量（Ｑ_CNV）を調整して第２の流路に分配することで、燃料電池にはその残りの流量Ｑ_FCの冷媒を供給し、コンバータには流量Ｑ_CNVの冷媒を供給することができる。

また、上記構成において、前記燃料電池冷却後の冷媒と前記コンバータの冷却後の冷媒とを合流させて前記第１の温度調整装置に供給する第３の流路を備えるようにしてもよい。

上記構成によれば、第３の流路により冷媒の循環流路を形成できる。また、第３の流路は、燃料電池冷却後の冷媒とコンバータの冷却後の冷媒とを合流させるので、循環流路の長さを減少させることができ冷却系の小型化がよりいっそう可能になる。

また、上記構成において、前記第２の温度調整装置は、ラジエータとファンとを備えるようにしてもよい。

上記構成によれば、ラジエータとファンとにより、第２の流路に流れる冷媒の熱を効率的に放熱させることができる。

また、上記構成において、少なくとも前記燃料電池、前記コンバータ及び前記第２の温度調整装置を一つの筐体に収容し、前記ファンにて筐体内の換気を行うようにしてもよい。

上記構成によれば、燃料電池とコンバータとラジエータとが一つの筐体に収容されているので取り扱いが容易になるとともに、筐体内に燃料電池で用いる反応ガス（水素等）が漏出してもラジエータのファンにて換気を行うので、漏出した反応ガスを筐体の外部に排出することができる。

また、上記構成において、前記第２の温度調整装置は、ペルチェ素子とファンとを備えるようにしてもよい。

上記構成によれば、ペルチェ素子とファンとにより、第２の流路に流れる冷媒の熱を応答性よく効率的に放熱させることができる。

本発明によれば、燃料電池とコンバータの温度制御を最適化しつつ冷却系の小型化を実現する燃料電池システムを提供することができる。

本実施の形態に係る燃料電池システムの構造を示す模式図本実施の形態に係る燃料電池システムの冷却系の制御方法を示すフローチャート変形例に係る燃料電池システムの構造を示す模式図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。本実施形態においては、車両に搭載される燃料電池システムを例に説明する。もちろん、燃料電池を備えた燃料電池システムは、車両のみならず、例えば、ロボット、船舶、航空機等といった自走式の移動体に搭載することもできるし、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムとしても用いることが可能である。

図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構造を示す模式図である。図１に示した燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２の出力電圧を変圧するコンバータ３２等を含む電力系３と、燃料電池２及びコンバータ３２に冷媒を供給する冷却系４と、燃料電池２及びコンバータ３２とを収容するスタックケース５と、システム全体を統括制御する制御部６と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を有している。各単セルは、膜・電極接合体（以下、「ＭＥＡ」ともいう）およびＭＥＡを両側から挟みこむように配置された一対のセパレータを有している。各ＭＥＡは、詳細には、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜を両面から挟みこむように配置された一対の触媒層とで構成される。一対の触媒層は、アノード及びカソードとして機能し、触媒層と電解質膜との界面において電極反応が行われる。

燃料電池２には、各単セルのアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、各単セルのカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系とが設けられており（いずれも図示略）、制御部６からの制御信号に応じて、燃料ガス及び酸化ガスが燃料電池の各単セルに供給されるようになっている。ここで、燃料ガスとは、水素を含む水素ガスを意味する。また、酸化ガスとは、酸素や空気を代表とする酸化剤を含有するガスを意味する。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、詳細は後述するように、冷却系４から供給される冷媒により最適な稼動温度となるように温度制御される。固体高分子電解質型の燃料電池２の最適な稼動域は、例えば、４０℃〜９０℃であり、運転条件等に基づいてこれら稼動域の範囲内で具体的な稼動温度が決定される。

電力系３は、コンバータ３２、インバータ３４及びトランクションモータ３６を備えている。コンバータ３２は、直流のＤＣ−ＤＣコンバータであり、一次側（燃料電池２側）に入力された電圧Ｖ_inを一次側とは異なる電圧値Ｖ_outに変換（昇圧または降圧）して二次側（インバータ３４側）に出力する。本実施形態においては、コンバータ３２は、昇圧コンバータとして機能し、制御部６からの制御信号に応じて、燃料電池２の出力電圧Ｖ_in（例えば、１８０Ｖ）を目標出力（例えば、６５０Ｖ）まで昇圧する。コンバータ３２は稼動により発熱を伴い、詳細は後述するように、冷却系４から供給される冷媒により最適な稼動温度となるように温度制御される。コンバータ３２の稼動温度域は、コンバータ３２内部の素子温度の保証値の範囲内であり、例えば、０℃〜６５℃である。すなわち、燃料電池２の稼動温度の最大値（９０℃）よりも低い温度域で作動する。また、燃料電池２は、稼動温度域（４０℃〜９０℃）内で厳密に温度制御する必要があるのに対して、コンバータ３２は、稼動温度域（０℃〜６５℃）内であれば、燃料電池２ほどの厳密な温度制御は必要とされない。このように、燃料電池２とコンバータ３２の温度制御の要求内容（要求温度、要求精度）はそれぞれ異なっており、後述する冷媒系４によりそれぞれ個別に制御される。

インバータ３４は、直流電流を三相交流電流に変換しトランクションモータ３６に供給する。トランクションモータ３６は、例えば三相交流モータである。トランクションモータ３６は、燃料電池システム１が搭載される例えば車両１００の主動力源を構成し、車両１００の車輪１０１Ｌ、１０１Ｒに連結されている。

冷却系４は、燃料電池２に冷媒を供給する第１の流路４１と、第１の流路４１の途中から分岐しコンバータ３２に冷媒を供給する第２の流路４２と、第１の流路４１に供給する冷媒の温度を調整するための第１の温度調整装置４４と、第２の流路４１を流れる冷媒の温度を調整する第２の温度調整装置４６と、燃料電池２及びコンバータ３２の内部を流れて熱せられた冷媒を合流させて第１の温度調整装置４４に循環させる第３の流路４３とを備えている。また、第１の流路４１、第２の流路４２、第３の流路４３それぞれの下流端には内部を流通する冷媒の温度を測定する温度センサＴ１、Ｔ２、Ｔ３がそれぞれ設けられている。冷却系４は、燃料電池２とコンバータ３２とを個別に冷却する必要性から燃料電池２とコンバータ３２の冷却部分においてはそれぞれ並列的に配置されているが、それ以外の部分は原則的に一本の流路で構成される。これにより、冷却系４の流路長は必要最小限に抑えられ、冷却系４全体が小型化されている。

なお、燃料電池２の運転停止中でも冷媒が凍結しないように、冷媒としては好適にはエチレングリコール水溶液等の不凍液が用いられる。

第１の流路４１には、冷媒を圧送し冷却系内を循環させるためのウォーターポンプ４８（流量調整装置）が設けられており、制御部６からの制御指令に応じてウォーターポンプ４８の回転数を制御することで、下流に供給する冷媒の流量が調整可能になっている。また、第１の流路４１において第２の流路４２が分岐する分岐点には、流量調整弁４９（分配装置）が設けられており、制御部６からの制御指令に応じて流量調整弁４９の開度を制御することで、第１または第２の流路に分配する冷媒の流量が調整可能になっている。

第１の温度調整装置４４は、ラジエータ４４Ａと、ラジエータ４４Ａに風を送り放熱を促進させるクーリングファン４４Ｂと、流量調整弁４４Ｃとを備えている。図１に示すように第３の流路４３は下流端にて２つに分岐し、一方はラジエータ４４Ａに連通し、他方が流量調整弁４４Ｃに連通している。第１の温度調整装置４４は、制御部６からの制御指令に従って、クーリングファン４４Ｂの回転数と、流量調整弁４４Ｃの開度（ラジエータを通って冷却された冷媒の供給量とラジエータと通らずにそのまま第３の流路から供給された冷却されていない冷媒の供給量との分配比）とを制御する。これにより、第１の温度調整装置４４から第１の流路４１に供給する冷媒の温度が調整可能になっている。

第２の温度調整装置４６は、ラジエータ４６Ａと、ラジエータ４６Ａに風を送り放熱を促進させるクーリングファン４６Ｂとを備えている。第２の温度調整装置４６は、制御部６からの制御指令に従って、クーリングファン４６Ｂの回転数を制御する。これにより、第２の流路４２を流れる冷媒の温度が調整可能になっている。

スタックケース５は、少なくとも、燃料電池２と、コンバータ３２と、第２の温度調整装置４６を含む冷却系４の少なくとも一部とを１つに収容する例えば金属製の筐体である。これは、上記説明した冷却系４の構造により冷却系自体が小型化され、燃料電池２とコンバータ３２とを近接配置しやすくなったために実現されている。燃料電池２とコンバータ３２とが一つの筐体に配置されていることで、例えば燃料電池２とコンバータ３２とを車両１００の床下に一緒に搭載するといったことが可能になる。

また、スタックケース５には、クーリングファン４６Ｂの近傍に開口５０が設けられている。この開口５０と、クーリングファン４６Ｂの回転により、スタックケース５の内部が換気される。これにより、例えば、燃料電池２から燃料ガスたる水素が漏出しても、この水素を外部に放出することができるようになり、システムの安全性を向上させることができる。

制御部６は、燃料電池システム１の制御用のコンピュータシステムであり、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御部６は、各種センサ群（例えば、燃料電池２、燃料電池２へ反応ガスを供給するガス系統、冷却系４等に設けられた圧力センサ及び温度センサ、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ、並びに、車両１００のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ等）からの検出信号を入力し、燃料電池システム１の各構成要素に制御信号を出力する。以下、特に制御部６による冷却系４の制御について、図２を用いて具体的に説明する。ここで、図２は、本実施の形態に係る燃料電池システムの冷却系の制御方法を示すフローチャートである。

はじめに、制御部６は、燃料電池２及びコンバータ３２それぞれに供給すべき冷媒の温度及び流量を演算する（ステップＳ１乃至Ｓ４）。

より具体的には、燃料電池２については、燃料電池２の出力電流及び出力電圧の実測値（または要求値でも構わない）により、燃料電池２の排熱量（ＦＣ排熱量）を推定する（ステップＳ１）。そして、ＦＣ発熱量に基づいて、燃料電池２をどれだけ冷却すべきか、すなわち、燃料電池２に供給する冷媒の流量（ＦＣ側流量要求値：Ｑ_FC）と温度（ＦＣ入口冷媒温度要求値：Ｔ_FC）とを演算する（ステップＳ２）。

一方、コンバータ３２については、コンバータ３２の動作条件（コンバータ３２の通過電力および昇圧比）により、コンバータ３２の排熱量（ＣＮＶ排熱量）を推定する（ステップＳ３）。そして、そして、ＣＮＶ発熱量に基づいて、コンバータ３２をどれだけ冷却すべきか、すなわち、コンバータ３２に供給する冷媒の流量（ＣＮＶ側流量要求値：Ｑ_CNV）と温度（ＣＮＶ入口冷媒温度要求値：Ｔ_CNV）とを演算する（ステップＳ４）。

上記演算により、第１の流路４１及び第２の流路４２に供給すべき冷媒の流量と温度が決定される。次に制御部６は、上記流量及び温度の冷媒が実際に燃料電池２及びコンバータ３２に供給されるべく、以下のような制御を行う。

まず、制御部６は、ステップＳ２で演算したＦＣ入口冷媒温度要求値Ｔ_FCと温度センサＴ１におけるＦＣ入口冷媒温度実測値とから、第１の温度調整装置４４から供給すべき冷媒の温度を決定し、さらに温度センサＴ３の実測値を加味して、クーリングファン４４Ｂの回転数及び流量調整弁４４Ｃの開度を制御する（ステップＳ５）。これにより、流量調整弁４４Ｃから第１の流路４１に供給される冷媒の温度が、ＦＣ入口冷媒温度要求値Ｔ_FCとなる。

次に、制御部６は、ステップＳ２で演算したＦＣ側流量要求値（Ｑ_FC）とステップＳ４で演算したＣＮＶ側流量要求値（Ｑ_CNV）との総和（Ｑ_FC＋Ｑ_CNV）に基づいてウォーターポンプ４８の回転数を制御することで、ウォーターポンプ４８の下流に流れる冷媒の流量が上記総和となるようにする（ステップＳ６）。

次に、制御部６は、ステップＳ４で演算したＣＮＶ側流量要求値（Ｑ_CNV）に基づいて、流量調整弁４９の開度を調整することで、ここから分岐する第２の流路に流れる冷媒の流量がＣＮＶ側流量要求値（Ｑ_CNV）に等しくなるようにする（ステップＳ７）。これにより、第１の流路に流れる冷媒の流量は、ＦＣ側流量要求値（Ｑ_FC）となり、第２の流路に流れる冷媒の流量は、ＣＮＶ側流量要求値（Ｑ_CNV）となる。

最後に、制御部６は、ステップＳ４で演算したＣＮＶ入口冷媒温度要求値Ｔ_CNVと温度センサＴ２におけるＣＮＶ入口冷媒温度実測値とから、第２の温度調整装置４６から供給すべき冷媒の温度を決定し、クーリングファン４６Ｂの回転数を制御する（ステップＳ８）。これにより、第２の温度調整装置４６から第２の流路４２に供給される冷媒の温度が、ＦＣ入口冷媒温度要求値Ｔ_CNVになる。尚、Ｔ_FCがＴ_CNVよりも小さい場合には、さらなる冷却は必要ないのでクーリングファン４６Ｂの回転数は０にしても問題ない。

以上の制御により、燃料電池２及びコンバータ３２に、それぞれの排熱量に応じて必要な流量及び温度の冷媒がそれぞれ供給される。これにより、燃料電池２、コンバータ３２の稼動温度が異なっていても、冷却系４にて、燃料電池２、コンバータ３２それぞれを最適な稼動温度とすることができる。

以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば、図３に示すように、上記実施の形態におけるラジエータ４６Ａに替えて、ペルチェ素子４６Ｃを用いるようにしてもよい。より具体的には、ペルチェ素子４６Ｃの吸熱面に第２の流路の一部を直接またはヒートシンクなどを介して間接的に接触させて冷媒を冷却させるとともに、ペルチェ素子４６Ｃの発熱面にクーリングファン４６Ｂから送風するようにしてもよい。ペルチェ素子に通電する電流を制御することで冷却量を調整可能であるので、第２の流路４２を流れる冷媒の温度制御の応答性を高めることができる。

また、上記実施の形態においては、第１の流路４１の下端に燃料電池２を設け、第２の流路４２の下端にコンバータ３２を設けているが、コンバータ３２の稼動温度域の最大値が燃料電池２の稼動温度域の最大値よりも高い場合には、逆にすることも可能である。すなわち、第１の流路４１の下端にコンバータ３２を設け、第２の流路４２の下端に燃料電池２を設けるようにしてもよい。

１……燃料電池システム、２……燃料電池、３……電力系、３２……コンバータ、３４……インバータ、３６……トランクションモータ、４……冷却系、４１……第１の流路、４２……第２の流路、４３……第３の流路、４４……第１の温度調整装置、４４Ａ……ラジエータ、４４Ｂ……クーリングファン、４４Ｃ……流量調整弁、４６……第２の温度調整装置、４６Ａ……ラジエータ、４６Ｂ……クーリングファン、４６Ｃ……ペルチェ素子、４８……ウォーターポンプ（流量調整装置）、４９……流量調整弁（分配装置）、５……スタックケース、５０……開口部、６……制御部、１００……車両、１０１Ｌ、１０１……車輪、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３……温度センサ

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータと、
第１の温度調整装置にて温度調整された冷媒を前記燃料電池に供給する第１の流路と、
前記第１の流路の途中から分岐し、前記冷媒を前記コンバータに供給する第２の流路と、
前記第２の流路に設けられ、前記コンバータに供給する冷媒の温度を調整する第２の温度調整装置と、を備えた燃料電池システム。
前記第１の流路は、
前記第２の流路が分岐する分岐点の上流に設けられ、下流に供給する冷媒の流量を調整する流量調整装置と、
前記分岐点に設けられ、前記第１または第２の流路に分配する冷媒の流量を調整する分配装置と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池冷却後の冷媒と前記コンバータの冷却後の冷媒とを合流させて前記第１の温度調整装置に供給する第３の流路を備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記第２の温度調整装置は、ラジエータとファンとを備える請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システム。
少なくとも前記燃料電池、前記コンバータ及び前記第２の温度調整装置を一つの筐体に収容し、前記ファンにて筐体内の換気を行う請求項４に記載の燃料電池システム。
前記第２の温度調整装置は、ペルチェ素子とファンとを備える請求項１乃至請求項３に記載の燃料電池システム。