JP3601398B2 - 燃料電池の冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池の冷却システムとしては、例えば、図７に示す冷却システムが知られている。
これは、燃料電池１０１の温度制御を冷却水１０３によって行う冷却システムである。冷却水１０３は、燃料電池１０１を冷却した後、加湿器１０５に供給されて燃料電池１０１に供給される空気１０７を加湿し、さらにその後、熱交換器１０９に供給されて放熱によって温度が低下する（つまり冷却される）。熱交換器１０９で放熱し冷却された冷却水１０３は、燃料電池１０１に供給される。なお、冷却水１０３は、ポンプ１１１によって加圧されて強制的に循環する。
【０００３】
すなわち、燃料電池１０１は、通常運転時の内部温度（通常運転温度）を８０℃前後に維持する必要があるため、燃料電池１０１の発電による発熱と冷却水１０３による冷却とによって適温に調整する。一方、燃料電池１０１に供給される空気１０７は事前に加湿しておく必要があるが、この加湿を行うための水とこの水を気化させるための熱（気化熱）とは、燃料電池１０１を冷却して温度が上昇した高温の冷却水１０３によって供給される。このとき十分な気化熱が得られるように、冷却水の循環経路は、図７に示すように、冷却水配管によって冷却水１０３が燃料電池１０１→加湿器１０５→熱交換器１０９→燃料電池１０１と流れるように形成される。なお、特開平６−３３３５８３号公報には、図７に示す冷却システムにおいて冷却水温度を調整する熱交換器を持たないものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料電池の冷却システムにあっては、燃料電池１０１の温度が上昇した時に冷却水による冷却性能が低下するという問題があった。
すなわち、上記のような冷却水循環経路の場合、加湿器１０５に供給される冷却水１０３が一定の温度（例えば、５０℃）以上になると、必要な加湿を行うのに十分な熱量が存在することになる一方で、燃料電池１０１は、発電による発熱によって通常運転温度（８０℃前後）までは昇温させるが、その後は通常運転温度（８０℃前後）を大きく超えないように確実に冷却することが必要になる。
【０００５】
ところが、このように、冷却水１０３の温度が加湿器１０５に必要な温度よりも高い場合、又は、燃料電池１０１の温度上昇を抑えるために確実に冷却を行う必要がある場合であっても、従来の冷却システムでは、燃料電池１０１からの高温の冷却水１０３が直接加湿器１０５に供給されるので、まず、加湿器１０５では、加湿による気化熱以上の温度低下は行われず、次に、熱交換器１０９では、加湿器１０５で一度放熱した後の冷却水が流入するため、空気（冷却風）と冷却水との温度差が小さくなり、結局、いずれにおいても、冷却水１０３の放熱、ひいては冷却水の温度低下が十分に行われず、冷却水による冷却性能が低下するという問題があった。なお、上記公報に記載の技術のように熱交換器を持たない場合には、当然のこととして、冷却水の放熱はより一層不十分である
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、冷却水の温度が上昇した時に、冷却水の放熱量を増加させて、冷却水による冷却性能を高めることができる燃料電池の冷却システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池を冷却する冷却水を利用して燃料電池に供給される空気を加湿する加湿器と、加湿器からの冷却水を放熱させて温度を低下させる熱交換器とを備え、熱交換器で放熱し温度が低下した冷却水を燃料電池に供給する燃料電池の冷却システムにおいて、前記燃料電池から流出した冷却水が順に前記加湿器、前記熱交換器と流れて前記燃料電池に帰還する第１冷却水流路と、前記燃料電池から流出した冷却水が順に前記熱交換器、前記加湿器と流れて前記燃料電池に帰還する第２冷却水流路と、前記第１冷却水流路と前記第２冷却水流路とを切り替える流路切替手段と、前記燃料電池を通過した冷却水の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池を通過した冷却水の温度が所定値以上の場合に、第１冷却水流路から第２冷却水流路に切り替わるように前記流路切替手段を制御する制御手段とを有することを要旨とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池を冷却する冷却水を利用して燃料電池に供給される空気を加湿する加湿器と、加湿器からの冷却水を放熱させて温度を低下させる熱交換器とを備え、熱交換器で放熱し温度が低下した冷却水を燃料電池に供給する燃料電池の冷却システムにおいて、冷却水に圧力を加えて強制的に循環させる逆転運転可能なポンプと、前記燃料電池を通過した冷却水の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池を通過した冷却水の温度が所定値以上の場合に、冷却水の循環方向が逆転するように前記ポンプの運転方向を制御する制御手段とを有することを要旨とする。
【０００８】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、燃料電池から流出した冷却水が順に加湿器、熱交換器と流れて燃料電池に帰還する第１冷却水流路と、燃料電池から流出した冷却水が順に熱交換器、加湿器と流れて燃料電池に帰還する第２冷却水流路とを設けておき、燃料電池を通過した冷却水の温度が所定値以上の場合に、第１冷却水流路から第２冷却水流路に切り替わるように流路切替手段を制御することで、冷却水の温度が上昇した時に、冷却水の放熱量を増加させて、冷却水による冷却性能を高めることができる。
【０００９】
請求項２記載の本発明によれば、冷却水に圧力を加えて強制的に循環させる逆転運転可能なポンプを設けておき、燃料電池を通過した冷却水の温度が所定値以上の場合に、冷却水の循環方向が逆転するようにポンプの運転方向を制御することで、冷却水の温度が上昇した時に、冷却水の放熱量を増加させて、冷却水による冷却性能を高めることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムを示す図である。
図１において、燃料電池１は、冷却水によって冷却され、温度調整される。燃料電池１の冷却システムは、燃料電池１、加湿器３、ポンプ５及び熱交換器７をこの順に冷却水配管９で連結して構成されている。燃料電池１は、燃料ガスと空気の供給を受けて電力を発生し、加湿器３は、冷却水を利用して燃料電池１に供給される空気を加湿し、ポンプ５は、冷却水に圧力を加えて冷却水を強制的に循環させ、熱交換器７は、冷却水を放熱させて温度を低下させる機能をそれぞれ有する。ここでは、ポンプ５は、逆転運転できないすなわち一方向にのみ運転可能な非可逆ポンプである。
【００１１】
また、この冷却システムは、冷却水の循環方向を逆転させるために、加湿器３とポンプ５の間に三方弁１１ａ（流路切替手段）を、ポンプ５と熱交換器７の間に三方弁１１ｂ（流路切替手段）をそれぞれ設置し、冷却水流路の切替えを可能とするための流路切替配管１３ａ，１３ｂをそれぞれ連結してある。
【００１２】
従って、燃料電池１から流出した冷却水は、２つの三方弁１１ａ，１１ｂを制御して流路切替配管１３ａ，１３ｂを開閉することによって、図１中の実線矢印で示すように、燃料電池１→加湿器３→ポンプ５→熱交換器７の順に流れて燃料電池１に帰還する流路（第１冷却水流路）と、図１中の破線矢印で示すように、燃料電池１→熱交換器７→ポンプ５→加湿器３の順に流れて燃料電池１に帰還する流路（第２冷却水流路）とを切り替えることができる。前者は、流路切替配管１３ａ，１３ｂを閉じた場合に形成され、これが燃料電池１の通常運転時における冷却水の循環方向となる。後者は、流路切替配管１３ａ，１３ｂを開いた場合に形成され、前者の場合に対して冷却水の循環方向が逆転している。
【００１３】
また、燃料電池１を通過した冷却水の温度（つまり、燃料電池冷却後の冷却水温度）を検出する２つの温度センサ１５，１７が、燃料電池１の冷却水出入口にそれぞれ設けられている。各温度センサ１５，１７は、燃料電池１を制御するためのコントロールユニット１９（制御手段）にそれぞれ接続されており、それぞれの検出信号をコントロールユニット１９へ出力する。
【００１４】
コントロールユニット１９は、内部に制御プログラムを記憶した制御ＲＯＭと制御時のワークエリアとなるＲＡＭとを有しており、各温度センサ１５，１７からの検出信号に基づいて最適な冷却水流路を選択し、この選択結果に応じた制御信号を三方弁１１ａ，１１ｂに出力する。
【００１５】
次に、図２に示す制御フローチャートに従って燃料電池の冷却システムの制御動作を説明する。なお、図２に示す制御フローチャートは、コントロールユニット１９の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００１６】
まず、ステップＳ１０では、コントロールユニット１９は、燃料電池１を通常運転させるため、冷却水の流路として第１冷却水流路が形成されるように三方弁１１ａ，１１ｂに制御信号を送る。これを受けた三方弁１１ａ，１１ｂでは、制御信号に応じて流路切替配管１３ａ，１３ｂを閉じて、冷却水を第１冷却水流路に循環させる。すなわち、冷却水は、燃料電池１→加湿器３→ポンプ５→熱交換器７の順に流れて燃料電池１に帰還する。この順路では、冷却水は、燃料電池１を冷却した後、加湿器３に供給されて燃料電池１に供給される空気を加湿し、さらにその後、ポンプ５で加圧されて熱交換器７に供給されて放熱して温度が低下した状態で、再び燃料電池１に供給される。このような燃料電池通常運転では、燃料電池１の発電による発熱によって燃料電池１自体の温度が上昇し、この結果、燃料電池１通過後の冷却水の温度が上昇する。なお、前述したように、燃料電池１は、通常運転時の内部温度が８０℃前後になるように温度制御される。
【００１７】
そして、ステップＳ２０では、燃料電池１の冷却水出口に設けられた温度センサ１５から燃料電池冷却後の冷却水温度を読み込む。
そして、ステップＳ３０では、温度センサ１５から読み込まれた冷却水温度をあらかじめ設定された基準値（所定値）と比較して、冷却水温度が基準値を超えているか否かを判断する。そして、冷却水温度が基準値を超えていない場合は（Ｓ３０：ＮＯ）、直ちにステップＳ１０に戻って、燃料電池１の通常運転を継続させるが、冷却水温度が基準値を超えている場合は（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ステップＳ４０に進む。なお、ステップＳ３０で使用する基準値は、実験等を行って適当な値に決めればよい。
【００１８】
ステップＳ４０では、冷却水の循環方向を逆転させるため、冷却水の流路として第２冷却水流路が形成されるように三方弁１１ａ，１１ｂに制御信号を送る。これを受けた三方弁１１ａ，１１ｂでは、制御信号に応じて流路切替配管１３ａ，１３ｂを開いて、冷却水を第２冷却水流路に循環させる。すなわち、冷却水は、燃料電池１→熱交換器７→ポンプ５→加湿器３の順に流れて燃料電池１に帰還する。この順路では、冷却水は、燃料電池１を冷却した後、直ちに熱交換器７に供給されて放熱して温度が低下し、さらにその後、ポンプ５で加圧されて加湿器３に供給されて燃料電池１に供給される空気を加湿し、その後、再び燃料電池１に供給される。
【００１９】
このとき、燃料電池１からの高温の冷却水が直接熱交換器７に供給されるので、熱交換器７における空気（冷却風）と冷却水との温度差を大きくとることができ、熱交換器７における冷却水の放熱量が増加して、冷却水の温度が大幅に低下する。その後、冷却水は加湿器３に供給されるが、加湿の際の気化熱によってさらに温度が低下して燃料電池１に供給されるので、冷却水による冷却性能が向上して、燃料電池１の温度を運転許容上限温度以下に下げることができる。
【００２０】
そして、ステップＳ５０では、燃料電池１の冷却水入口（このときは冷却水循環方向の逆転により冷却水出口となっている）に設けられた温度センサ１７から燃料電池冷却後の冷却水温度を読み込む。
そして、ステップＳ６０では、温度センサ１７から読み込まれた冷却水温度をステップＳ３０で使用されるものと同じ基準値と比較して、冷却水温度が基準値以下であるか否かを判断する。そして、冷却水温度が基準値を超えている場合は（Ｓ６０：ＮＯ）、まだ冷却水の温度が高いため、ステップＳ４０に戻って、引き続き第２冷却水流路に冷却水を循環させるが、冷却水温度が基準値以下である場合は（Ｓ６０：ＹＥＳ）、冷却水の温度が低下したものと判断して、ステップＳ１０に戻って、冷却水の流路として第１冷却水流路を形成して燃料電池１を通常運転に復帰させる。
【００２１】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、燃料電池１を通過した冷却水の温度が基準値を超えた場合は、冷却水の循環方向を逆転させて、燃料電池１からの高温の冷却水を直接熱交換器７に供給することで、熱交換器７における空気（冷却風）と冷却水との温度差を大きくとることができ、同じ熱交換器７を使用しつつ冷却水の放熱量が増加して、冷却水の温度が大幅に低下する。同時に、熱交換器７で放熱した冷却水は加湿器３に供給されて加湿の際の気化熱によってさらに放熱して温度が低下するため、全体としてはより一層大きな放熱量を得ることができ、冷却水による冷却性能を高めることができる。
【００２２】
また、ポンプ５の前後に三方弁１１ａ，１１ｂが存在することで、三方弁１１ａ，１１ｂの切り替え方によっては、冷却水が冷却水配管９内から流れ出ることなくポンプ５を交換することが可能となる。
なお、図３及び図４は、それぞれ、図１に示す第１の実施の形態の変更例を示す図である。なお、これらの変更例は、図１に示す第１の実施の形態に対応する冷却システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００２３】
図３に示す変更例の特徴は、燃料電池１、加湿器３、ポンプ５及び熱交換器７の各部品間に三方弁２１を２個ずつ設置し（三方弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈ）、流路切替配管２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄをそれぞれ連結したことにある。これらの三方弁２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈは、燃料電池１を制御するためのコントロールユニット１９ａに接続されており、コントロールユニット１９ａからの制御信号を受けて流路切替配管２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄを開閉する。これにより、冷却水は、第１冷却水流路形成時には図３中の実線矢印の方向に循環し、第２冷却水流路形成時には図３中の破線矢印の方向に循環する。
【００２４】
この結果、本変更例によれば、冷却水の循環経路を第２冷却水流路、すなわち、冷却水が燃料電池１→熱交換器７→ポンプ５→加湿器３の順に流れる流路に切り替えても、各部品の冷却水の出入口は常に一定であり、各部品における冷却水の流れ方向を一方向のみに限定した設計が可能になる。
【００２５】
図４に示す変更例の特徴は、三方弁の位置を一部変更したこと、すなわち、加湿器３とポンプ５の間の三方弁１１ａを廃止して、燃料電池１と加湿器３の間に三方弁２５を設置し、流路切替配管２７ａを連結するととともに、ポンプ５と熱交換器７の間の三方弁１１ｂには流路切替配管２７ｂを連結したことにある。これらの三方弁２５，１１ｂもまた燃料電池１を制御するためのコントロールユニット１９ｂに接続されており、コントロールユニット１９ｂからの制御信号を受けて流路切替配管２７ａ，２７ｂを開閉する。これにより、冷却水は、第１冷却水流路形成時には図３中の実線矢印の方向に循環し、第２冷却水流路形成時には図３中の破線矢印の方向に循環する。
【００２６】
この結果、本変更例によれば、三方弁の位置を一部変更したため、冷却水の循環経路を第２冷却水流路、すなわち、冷却水が燃料電池１→熱交換器７→ポンプ５→加湿器３の順に流れる流路に切り替えても、加湿器３においては、冷却水の出入口は常に一定であり、冷却水の流れ方向を一方向のみに限定した設計が可能になる。
なお、図３及び図４の変更例の制御動作は、図２に示す制御フローチャートに従って説明することができるが、既に説明した内容と同様であるので、その説明を省略することとする。
【００２７】
（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムを示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する冷却システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００２８】
第２の実施の形態の特徴は、冷却水の循環方向を逆転させるための手段として、図５に示すように、図１に示す三方弁１１ａ，１１ｂ、流路切替配管１３ａ，１３ｂ及び非可逆ポンプ５の代わりに、逆転運転可能なすなわち双方向に運転可能な可逆ポンプ２９のみを設けたことにある。このポンプ２９は、燃料電池１を制御するためのコントロールユニット１９ｃ（制御手段）に接続されており、コントロールユニット１９ｃからの制御信号を受けて運転方向を切り替える。これにより、冷却水は、ポンプ順方向運転時には図５中の実線矢印の方向に循環し、ポンプ逆方向運転時には図５中の破線矢印の方向に循環する。
【００２９】
次に、図６に示す制御フローチャートに従って燃料電池の冷却システムの制御動作を説明する。なお、図６に示す制御フローチャートは、コントロールユニット１９ｃの内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
本実施の形態では、図６に示すように、ステップＳ１５及びステップＳ４５を図２に示すフローチャートに挿入し、ステップＳ１０及びステップＳ４０を削除している。
【００３０】
まず、ステップＳ１５では、コントロールユニット１９ｃは、燃料電池１を通常運転させるため、冷却水が順方向に流れるようにポンプ２９に制御信号を送る。これを受けたポンプ２９は、順方向運転を行い、冷却水を加圧して燃料電池１→加湿器３→熱交換器７→燃料電池１の順に循環させる。この順路は、第１の実施の形態における第１冷却水流路の場合と同様である。
【００３１】
ステップＳ２０及びステップＳ３０は、図２に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
そして、ステップＳ４５では、冷却水の循環方向を逆転させるため、冷却水が逆方向に流れるようにポンプ２９に制御信号を送る。これを受けたポンプ２９は、逆方向運転を行い、冷却水を加圧して燃料電池１→熱交換器７→加湿器３→燃料電池１の順に循環させる。この順路は、第１の実施の形態における第２冷却水流路の場合と同様である。
ステップＳ５０及びステップＳ６０は、図２に示すフローチャートの各ステップと同様であるので、その説明を省略する。
【００３２】
この結果、第２の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、可逆型ポンプ２９を用いて冷却水の循環方向を逆転させるので、三方弁と流路切替配管を省略することができ、冷却水の循環方向の切替えが可能であるにもかかわらず、スペースの使用量の増大を防止し、かつ、冷却水配管の構成の複雑化を避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムを示す図である。
【図２】第１の実施の形態の燃料電池の冷却システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図３】図１に示す第１の実施の形態の一変更例を示す図である。
【図４】図１に示す第１の実施の形態の他の変更例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の冷却システムを示す図である。
【図６】第２の実施の形態の燃料電池の冷却システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図７】従来の燃料電池の冷却システムを示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 加湿器
５ 非可逆ポンプ
７ 熱交換器
９ 冷却水配管
１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ，２１ｈ，２５ 三方弁
１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２７ａ，２７ｂ 流路切替配管
１５，１７ 温度センサ
１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ コントロールユニット
２９ 可逆ポンプ

Claims (2)

1. 燃料電池を冷却する冷却水を利用して燃料電池に供給される空気を加湿する加湿器と、
   加湿器からの冷却水を放熱させて温度を低下させる熱交換器とを備え、
   熱交換器で放熱し温度が低下した冷却水を燃料電池に供給する燃料電池の冷却システムにおいて、
   前記燃料電池から流出した冷却水が順に前記加湿器、前記熱交換器と流れて前記燃料電池に帰還する第１冷却水流路と、
   前記燃料電池から流出した冷却水が順に前記熱交換器、前記加湿器と流れて前記燃料電池に帰還する第２冷却水流路と、
   前記第１冷却水流路と前記第２冷却水流路とを切り替える流路切替手段と、
   前記燃料電池を通過した冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池を通過した冷却水の温度が所定値以上の場合に、第１冷却水流路から第２冷却水流路に切り替わるように前記流路切替手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池の冷却システム。
2. 燃料電池を冷却する冷却水を利用して燃料電池に供給される空気を加湿する加湿器と、
   加湿器からの冷却水を放熱させて温度を低下させる熱交換器とを備え、
   熱交換器で放熱し温度が低下した冷却水を燃料電池に供給する燃料電池の冷却システムにおいて、
   冷却水に圧力を加えて強制的に循環させる逆転運転可能なポンプと、
   前記燃料電池を通過した冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池を通過した冷却水の温度が所定値以上の場合に、冷却水の循環方向が逆転するように前記ポンプの運転方向を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池の冷却システム。

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