JP4602056B2 - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を冷却するための冷媒を供給する冷媒供給路と、該冷媒供給路に設けられる冷媒用ポンプと、を備える燃料電池システムに適用される燃料電池の冷却装置に関するものである。

近年、燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素ガス（燃料ガス）を、カソードに空気（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。燃料電池は発電の際に水を生成する。

また、燃料電池スタックは発電する際に発熱を伴うが、燃料電池には作動温度範囲があるため燃料電池が上限温度以上に昇温しないように冷却する必要がある。そのため、燃料電池スタックには冷却流路が設けられており、この冷却流路に冷媒を流して熱を奪い燃料電池を冷却している。
例えば、特許文献１には、燃料電池に冷却液等の冷媒を循環させる流路に循環ポンプを設けて、燃料電池の冷媒出口と冷媒入口とで所定の温度差が確保されるように、循環ポンプを制御する技術が提案されている。
特開２００３−１７１０５号公報

ところで、燃料電池の発電量や冷媒温度に基づいて、循環ポンプの目標回転数が算出されるが、燃料電池の発電量が高いときや、冷媒の温度が高いときには、循環ポンプの目標回転数が高くなってしまう。このような高い目標回転数で循環ポンプを制御すると、循環ポンプのインペラ後側が過度に減圧されてしまい、キャビテーション（空洞現象）が発生してしまう虞がある。キャビテーションが発生すると、循環ポンプで循環させる冷媒流量が低下して燃料電池に対する冷却能力が低下し、ひいては循環ポンプが故障してしまう虞があるため、キャビテーションの発生を防止することが非常に重要である。

従って、本発明は、キャビテーションの発生を防止することができ、燃料電池に対する冷却能力を確保して、循環ポンプの故障を防止することができる燃料電池の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池スタック２）と、該燃料電池を冷却するための冷媒を供給する冷媒供給路（例えば、実施の形態における冷媒循環流路３）と、該冷媒供給路に設けられる冷媒用ポンプ（例えば、実施の形態におけるポンプ４）と、を備える燃料電池システムに適用され、冷媒の圧力または冷媒の温度の少なくともいずれかに基づいて、キャビテーションの発生を防止し得る冷媒用ポンプの出力（例えば、実施の形態における最大回転数）を算出し、前記冷却用ポンプの出力を前記算出した出力以下で制御し、前記冷却用ポンプの出力が前記算出した出力に設定されたときには、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする。

この発明によれば、前記冷媒用ポンプの出力を前記算出した出力以下で制御することにより、前記冷媒用ポンプの回転数を一定以下に抑え、前記冷媒用ポンプのインペラ後側の減圧を抑制できるので、キャビテーションの発生を防止することができ、前記冷媒用ポンプで循環させる冷媒流量を維持できるので燃料電池に対する冷却能力を確保することができ、さらに、冷媒用ポンプの故障を防止することができる。また、前記燃料電池の発電量を抑制することで、発電に伴う発熱量を減少させることができるので、前記燃料電池の温度上昇を抑制することができる。

また、前記冷却用ポンプの出力が前記算出した出力に設定されたときには、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路（例えば、実施の形態における空気供給流路７）に設けられたコンプレッサの出力を低減することを特徴とする。

この発明によれば、前記コンプレッサの出力を低減することで、前記コンプレッサ自体で発生する熱量を減少できるとともに、前記コンプレッサにより供給される、圧縮され熱を帯びた酸化剤ガスの流量も減少するため燃料電池の発電量も抑制されるので、より効果的に燃料電池の温度上昇を抑制することができる。

請求項１に係る発明によれば、キャビテーションの発生を防止することができ、燃料電池に対する冷却能力を確保して、循環ポンプの故障を防止することができる。また、前記燃料電池の温度上昇を抑制することができる。
請求項２に係る発明によれば、より効果的に燃料電池の温度上昇を抑制することができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池の冷却装置を図面と共に説明する。図１は本発明の実施の形態における燃料電池の冷却装置が適用される燃料電池システム１の概略構成図である。燃料電池スタック２は、スルフォン酸系電解質材料からなる固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで両側から挟み込んでなる単位セル（図示せず）を、所定数積層配置した構成を備えている。

このように構成された各セルの燃料極に燃料ガスとして水素ガスを供給し、空気極に酸化剤としての酸素を含む空気を供給すると、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して空気極まで移動して、空気極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。

燃料電池システム１は、高圧燃料タンク等の燃料供給装置を備え、燃料供給流路を介して各セルの燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気供給装置であるコンプレッサ（圧縮機）６を備え、コンプレッサ６により圧縮された空気を、空気供給流路７を介して各セルの空気極に供給する。燃料供給流路側の部材については図示を省略する。

また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２に接続されてなる冷媒循環流路３を備えている。この冷媒循環流路３を介して冷媒（例えば水）が燃料電池スタック２内を流通する。冷媒は、燃料電池スタック２の発電時に発電による温度上昇を抑制するものである。冷媒循環流路３にはポンプ４が配設されており、該ポンプ４を作動させることで冷媒を出口側冷媒循環流路３ｂ（３）から入口側冷媒循環流路３ａ（３）に圧送する。これにより、冷媒は、入口側冷媒循環流路３ａから燃料電池スタック２に流入し、燃料電池スタック２内を流通した後、出口側冷媒循環流路３ｂに排出されることになる。また、本実施の形態においては、ポンプ４の作動状態を制御することで、燃料電池スタック２に流通する冷媒の流量を制御している。

そして、冷媒循環流路３には、ラジエータ５が配設されている。このラジエータ５を作動させることで、冷媒を冷却する。
出口側冷媒循環流路３ｂには、燃料電池スタック２近傍であってポンプ４の上流側に、温度センサｓ１が設けられている。これらのセンサｓ１、ｓ２により、冷媒の圧力Ｐ１や温度Ｔ１をそれぞれ検出する。
また、燃料電池システム１は、ＥＣＵ（制御装置）８を備えている。このＥＣＵ８は、センサｓ１、ｓ２の検出値に基づいて、コンプレッサ６やポンプ４の回転数の制御を行う。

このように構成された燃料電池スタック２の制御方法について図２〜図４を用いて説明する。図２はポンプの目標回転数設定の処理内容を示すフローチャート図である。同図に示すように、ステップＳ１０で、ポンプ４に対する要求回転数を算出する。この要求回転数は、発電中の燃料電池スタック２を冷却するために要求される回転数であり、図３のマップ図に基づいて算出される。

図３はポンプの要求回転数の、冷媒温度と燃料電池発電量についての関係を示すマップ図である。同図に示すように、冷媒温度が低く、また、燃料電池発電量が少ないときには、ポンプ４の要求回転数は低く設定される（ラインＬＡ）。冷媒温度が低い場合には冷媒の冷却能力は高く、発電量が少ないときには燃料電池スタック２の発熱量も小さいので、冷却の必要性は低いからである。

これに対し、冷媒温度が高く、また、燃料電池発電量が多いときには、ポンプ４の要求回転数は高く設定される（ラインＬＢ）。冷媒温度が高い場合には冷媒の冷却能力は低く、発電量が多いときには燃料電池スタック２の発熱量も多いので、冷却の必要性は高いからである。なお、燃料電池スタック２の発電量は、燃料電池スタック２に設けられる電圧センサや電流センサ（いずれも図示せず）から算出される。

ついで、ステップＳ１２で、ポンプ４の最大回転数を算出する。この最大回転数は、キャビテーションの発生を防止し得る回転数のうち最大となる回転数であり、図４のマップ図に基づいて算出される。

図４はポンプの最大回転数の、冷媒温度と冷媒圧力についての関係を示すマップ図である。同図に示すように、冷媒温度が低く、また、冷媒圧力が大きいときには、ポンプ４の最大回転数は高く設定される（ラインＬａ）。冷媒温度が低い場合には冷媒で気泡が発生する温度に対して温度差が十分にあり、冷媒圧力が大きいときには気泡が生成しづらいためである。

これに対し、冷媒温度が高く、また、冷媒圧力が小さいときには、ポンプ４の最大回転数は低く設定される（ラインＬｂ）。冷媒温度が高い場合には冷媒で気泡が発生する温度に対して温度差が少なく、冷媒圧力が小さいときには気泡が生成しやすいためである。なお、冷媒温度Ｔ１は温度センサｓ１により、冷媒圧力Ｐ１は圧力センサｓ２により、それぞれ検出される。

ステップＳ１４では、要求回転数が最大回転数以下か否かを判定する。この判定結果がＹＥＳである場合はステップＳ１６に進み、判定結果がＮＯである場合はステップＳ１８に進む。ステップＳ１６では、要求回転数を目標回転数に設定する。この場合には、燃料電池スタック２の要求通りにポンプ４を回転させても、キャビテーションの発生を防止できるからである。ステップＳ１６の処理の後は、本フローチャートの処理を終了する。

ステップＳ１８では、最大回転数を目標回転数に設定する。このように、ポンプ４の出力を最大回転数で制御することにより、ポンプ４のインペラ後側の減圧を抑制できるので、キャビテーションの発生を防止することができる。これにより、キャビテーションによる冷媒流量の低下を防止することができるので、ポンプ４で循環させる冷媒流量を維持できる。従って、燃料電池スタック２に対する冷却能力を確保することができ、さらに、ポンプ４の故障を防止することができる。また、ポンプ４を上述の最大回転数で回転させるので、キャビテーションの発生を防止しつつ、ポンプ４の冷却能力を最大限に発揮させることができる。

ここで、ポンプ４の回転数が最大回転数に設定されたときには、前記燃料電池スタック２の発電量を制限することが好ましい。このようにすると、燃料電池スタック２の発電に伴う発熱量を減少させることができるので、燃料電池スタック２の温度上昇を抑制することができる。

さらに、ポンプ４の回転数が最大回転数に設定されたときには、燃料電池スタック２の空気供給流路７に設けられたコンプレッサ６の出力を低減することが好ましい。このようにすると、コンプレッサ６自体で発生する熱量を減少できるとともに、前記コンプレッサ６により供給される空気の流量も減少する。これにより、燃料電池スタック２の発電量も抑制されるので、より効果的に燃料電池スタック２の温度上昇を抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態における燃料電池システムによれば、キャビテーションの発生を防止することができ、燃料電池に対する冷却能力を確保して、循環ポンプの故障を防止することができる。
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、圧力センサ、温度センサの位置は、上述の実施の形態のように、ポンプの近傍に設けると、ポンプの状態を精度良く把握できる点で好ましいが、この位置に限定されるものではなく、例えば入口側冷媒循環流路に圧力センサを設けてもよく、入口側冷媒循環流路に温度センサを設けてもよい。

また、実施の形態では、最大回転数を算出したが、キャビテーションの発生を防止し得る回転数であれば、最大でなくてもよい。また、冷媒としては、水以外にも油などの流体を用いてもよい。
また、実施の形態における燃料電池システムは、車両の駆動源として燃料電池を搭載する燃料電池車両に特に好適に用いることができるが、車両に限られるものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池の冷却装置が適用される燃料電池システムを示すブロック図である。 ポンプの目標回転数設定の処理内容を示すフローチャート図である。 ポンプの要求回転数の、冷媒温度と燃料電池発電量についての関係を示すマップ図である。 ポンプの最大回転数の、冷媒温度と冷媒圧力についての関係を示すマップ図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック（燃料電池）
３…冷媒循環流路（冷媒供給路）
４…ポンプ（冷媒用ポンプ）
６…コンプレッサ
７…空気供給流路（酸化剤ガス流路）

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   該燃料電池を冷却するための冷媒を供給する冷媒供給路と、
   該冷媒供給路に設けられる冷媒用ポンプと、を備える燃料電池システムに適用され、
   冷媒の圧力または冷媒の温度の少なくともいずれかに基づいて、キャビテーションの発生を防止し得る冷媒用ポンプの出力を算出し、前記冷却用ポンプの出力を前記算出した出力以下で制御し、
   前記冷却用ポンプの出力が前記算出した出力に設定されたときには、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする燃料電池の冷却装置。
2. 前記冷却用ポンプの出力が前記算出した出力に設定されたときには、前記燃料電池に酸
   化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路に設けられたコンプレッサの出力を低減することを特
   徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却装置。

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