JP4939053B2

JP4939053B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4939053B2
Application number: JP2005380159A
Authority: JP
Inventors: 憲二加藤; 慎之高田; 光治磯江
Original assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007179981A

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、燃料電池システムにおいては、寒冷時等に加熱手段で燃料電池を加熱する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−１００６９４号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、車両の室内の温度を調整するための車両用空調機の廃熱を利用して燃料電池を加熱するので、冬季のように外気温が低く車両の室内を暖房する際には、車両用空調機の廃熱を利用することができず、燃料電池を加熱することができない。そのため、燃料電池がいわゆる高温膜を使用したものである場合、外気温の低いときには燃料電池を加熱する必要性が高くなり、電気ヒータ等の加熱手段で燃料電池を加熱しなくてはならず、電力消費量が増大してしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、冷凍庫を冷却する冷却システムの廃熱を利用して高温膜を備える燃料電池スタックを加熱することによって、冬季のように外気温が低いときであっても、加熱手段を使用することなく燃料電池スタックを十分な高温にまで加熱することができ、高温膜を備える燃料電池スタックの運転を効率的に行うことができ、消費される電力量を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、雰囲気が高温かつ低湿度である場合にプロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの温度を調節する燃料電池温調システムと、車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池温調システムは、温調媒体を循環させる循環ポンプ、温調媒体を冷却する放熱器、及び、温調媒体が選択的に流入可能な熱交換器を備え、前記冷凍サイクル式冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、及び、前記熱交換器を通過するように配設され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に流入可能なコンデンサバイパス管路を備える。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料電池温調システムの温調媒体、及び、冷凍サイクル式冷却システムの冷媒を熱交換器に流入させて熱交換させる制御装置とを更に有する。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、起動運転の場合、前記燃料電池の温度が所定温度より高くなるまで前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱した後、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、停止運転の場合、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱し、前記固体高分子電解質膜を高温に維持する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、雰囲気が高温かつ低湿度である場合にプロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの温度を調節する燃料電池温調システムと、車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱する。

この場合、車両用冷凍庫は、通常、氷点下まで冷却されるようになっているので、冬季のように外気温が低いときであっても、冷凍サイクル式冷却システムが作動し、廃熱が生じる。そのため、冬季のように外気温が低いときであっても、電気ヒータ等の加熱手段を使用することなく冷凍サイクル式冷却システムの廃熱を利用して、いわゆる高温膜である固体高分子電解質膜を十分な高温にまで加熱することができ、燃料電池スタックの運転を効率的に行うことができ、消費される電力量を低減することができる。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池温調システムは、温調媒体を循環させる循環ポンプ、温調媒体を冷却する放熱器、及び、温調媒体が選択的に流入可能な熱交換器を備え、前記冷凍サイクル式冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、及び、前記熱交換器を通過するように配設され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に流入可能なコンデンサバイパス管路を備える。

この場合、燃料電池温調システムの温調媒体は、熱交換器で冷凍サイクル式冷却システムの冷媒と熱交換することによって加熱されるので、新たな熱源を必要とすることがなく、冷凍サイクル式冷却システムの廃熱で対応することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料電池温調システムの温調媒体、及び、冷凍サイクル式冷却システムの冷媒を熱交換器に流入させて熱交換させる制御装置とを更に有する。

この場合、燃料電池の温度が所定温度以下になると、冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって加熱されるので、固体高分子電解質膜の温度を高温に維持することができ、燃料電池スタックの運転を適切に行うことができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、起動運転の場合、前記燃料電池の温度が所定温度より高くなるまで前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱した後、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する。

この場合、燃料電池スタックの暖機運転を適切に行うことができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、停止運転の場合、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱し、前記固体高分子電解質膜を高温に維持する。

この場合、固体高分子電解質膜の燃料極側の面に水素ガスが存在している間、固体高分子電解質膜を高温に維持することができるので、固体高分子電解質膜が劣化してしまうことがない。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図において、１１は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック１１は、高温膜を備え、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、図示されない複数のセルモジュールを有する。該セルモジュールは、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される水素ガスと空気とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配設されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。

また、高温膜とは、雰囲気が高温かつ低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜である。具体的に、高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、又は、それらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。なお、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質よりも水が十分に保水される材料か、又は、水がなくてもプロトンが伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものであればよく、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であればよい。具体的なプロトン伝導度は、温度が５０〜１４０〔℃〕の範囲内で、湿度が０〜５０〔％〕の雰囲気下において、一般的な固体高分子（温度５０〔℃〕以下、湿度５０〔％〕以上の雰囲気下でプロトン伝導度が０．１〔Ｓ／ｃｍ〕以上）よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、温度１２０〔℃〕、湿度２０〔％〕の雰囲気下において、プロトン伝導性が０．１〔Ｓ／ｃｍ〕以上であるものが好ましい。なお、本実施の形態においては、高温膜としての固体高分子電解質膜が、単位セルの温度が１００〜２００〔℃〕の範囲内で好適に使用されるものとして説明する。

そして、単位セルは、固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。

前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、図示されない水素ガスボンベ、水素吸蔵合金収容装置等の水素ガス貯蔵体から燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを燃料極側コレクタの燃料室内に供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、図示されない空気供給ファン、酸素ボンベ等の酸化剤供給源から酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を空気流路としての酸素室内に供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。

そして、１０は燃料電池スタック１１の温度を調節するための燃料電池温調システムであり、一般的な車両用内燃機関等の冷却システムと同様に、循環する温度調節用媒体、すなわち、温調媒体によって燃料電池スタック１１の温度を調節するシステムである。ここで、１２は、内部を温調媒体が流通するパイプとしての温調媒体管路１８に配設された放熱器としてのラジエータであり、温調媒体と外気とを熱交換させることによって、温調媒体の熱を外気中に放熱して温調媒体を冷却する。また、前記ラジエータ１２は、図示されないモータによって駆動される冷却ファンを備えていてもよい。この場合、温調媒体の温度が高くなったとき等には、必要に応じて冷却ファンを作動させることによって、温調媒体を冷却する能力を高めることができる。なお、前記温調媒体は、水、油等の液体であるが、いかなる種類の媒体であってもよい。

また、前記温調媒体管路１８には温調媒体を循環させるための循環ポンプ１３が配設されている。該循環ポンプ１３は図示されないモータによって駆動される。

さらに、前記温調媒体管路１８における燃料電池スタック１１と循環ポンプ１３との間には、後述される冷凍庫用冷却システム２０の冷媒と熱交換を行って、燃料電池温調システム１０の温調媒体を加熱する熱交換器１４が配設されている。また、該熱交換器１４をバイパスするように、熱交換器バイパス管路１４ａが前記温調媒体管路１８に接続されている。なお、前記熱交換器バイパス管路１４ａの一端は、三方弁等から成る第１分岐弁１５を介して、熱交換器１４の冷媒入口側における温調媒体管路１８に接続されている。そして、前記第１分岐弁１５を操作することによって、熱交換器１４を流通する温調媒体の量を調整することができる。この場合、循環ポンプ１３から吐出されたすべての温調媒体が熱交換器１４に流入するようにしてもよいし、一部の温調媒体のみが熱交換器１４に流入するようにしてもよい。さらに、該熱交換器１４に流入する温調媒体と熱交換器バイパス管路１４ａに流入する温調媒体との割合を調整することができるようにしてもよい。

また、前記温調媒体管路１８には、前記ラジエータ１２をバイパスするように、ラジエータバイパス管路１２ａが接続されている。なお、該ラジエータバイパス管路１２ａの一端は、三方弁等から成る第２分岐弁１６を介して、ラジエータ１２の冷媒入口側における温調媒体管路１８に接続されている。そして、前記第２分岐弁１６を操作することによって、ラジエータ１２を流通する温調媒体の量を調整することができる。この場合、燃料電池スタック１１から排出されたすべての温調媒体がラジエータ１２に流入するようにしてもよいし、一部の温調媒体のみがラジエータ１２に流入するようにしてもよい。さらに、該ラジエータ１２に流入する温調媒体とラジエータバイパス管路１２ａに流入する温調媒体との割合を調整することができるようにしてもよい。

そして、冷凍庫用冷却システム２０は、車両に搭載された図示されない冷凍庫内を冷却するために配設された蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用した冷凍サイクル式冷却システムである。ここで、前記冷凍庫用冷却システム２０は、一般的な冷蔵庫、冷凍庫、家庭用空調機等に利用される冷凍サイクルと同様のシステムである。

ここで、２１は、内部を冷媒が流通するパイプとしての冷媒管路２６に配設された圧縮機としてのコンプレッサであり、気相の冷媒を圧縮する。なお、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒は、例えば、特定フロン類の代替品として開発が進められたフロン類似品である、いわゆる代替フロンであるが、いかなる種類の冷媒であってもよい。

さらに、前記冷媒管路２６における冷媒の流通方向に関するコンプレッサ２１の下流側には、冷媒用凝縮器としてのコンデンサ２２が配設されている。そして、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、前記コンデンサ２２内において冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。なお、前記コンプレッサ２１は、図示されないモータによって駆動される。また、前記コンデンサ２２は、図示されないモータによって駆動される冷却ファンを備え、冷媒の温度が高くなった場合等には、必要に応じて冷却ファンを作動させることによって、冷媒を冷却する能力を高めることができる。

そして、前記冷媒管路２６における冷媒の流通方向に関するコンデンサ２２の下流側には、膨張弁２３が配設されている。さらに、前記冷媒管路２６における冷媒の流通方向に関する膨張弁２３の下流側には、冷媒用蒸発器としてのエバポレータ２４が配設されている。なお、該エバポレータ２４は、図示されない冷凍庫内に設設されている。そして、飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒は、膨張弁２３を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されて、エバポレータ２４内に流入する。該エバポレータ２４において、前記冷媒は冷凍庫内の空気から熱を吸収し、再び、コンプレッサ２１に吸引される。これにより、冷凍庫内の空気が冷却され、さらに、冷凍庫内の貯蔵物が冷却される。

また、前記冷媒管路２６におけるコンプレッサ２１と膨張弁２３との間には、コンデンサ２２をバイパスするようにコンデンサバイパス管路２２ａが接続されている。なお、該コンデンサバイパス管路２２ａの一端は、三方弁等から成る第３分岐弁２５ａを介して、コンデンサ２２の冷媒入口側における冷媒管路２６に接続されている。ここで、前記コンデンサバイパス管路２２ａは熱交換器１４を通過するように配設されているので、これにより、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒と燃料電池温調システム１０の温調媒体とが熱交換を行い、該燃料電池温調システム１０の温調媒体が加熱されるようになっている。

そして、前記第３分岐弁２５ａを操作することによって、コンデンサバイパス管路２２ａを流通する冷媒の量を調整することができる。この場合、コンプレッサ２１から吐出されたすべての冷媒がコンデンサバイパス管路２２ａに流入するようにしてもよいし、一部の冷媒のみがコンデンサバイパス管路２２ａに流入するようにしてもよい。さらに、コンデンサ２２に流入する冷媒とコンデンサバイパス管路２２ａに流入する冷媒との割合を調整することができるようにしてもよい。

なお、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮され、コンデンサバイパス管路２２ａに流入した気相の冷媒は、前記熱交換器１４を通過することによって冷却されて液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。そして、コンデンサバイパス管路２２ａを通過することによって飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒は、コンデンサ２２を通過した冷媒と同様に、膨張弁２３を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されてエバポレータ２４内に流入し、冷凍庫内の空気から熱を吸収して、再び、コンプレッサ２１に吸引される。

さらに、前記コンデンサバイパス管路２２ａにおける冷媒の流通方向に関する熱交換器１４の下流側には、コンデンサ連通管路２２ｂの一端が接続されている。そして、該コンデンサ連通管路２２ｂの他端は冷媒管路２６における冷媒の流通方向に関するコンデンサ２２の上流側に接続され、前記コンデンサ連通管路２２ｂの途中には流量調整弁２５ｂが配設されている。そして、冷媒がコンデンサバイパス管路２２ａに流入する場合には、流量調整弁２５ｂを操作することによって、熱交換器１４を通過した冷媒の一部をコンデンサ２２に流入させることができる。これにより、熱交換器１４を通過することによって冷却されて液化される冷媒の量が低下し、熱交換器１４において燃料電池温調システム１０の温調媒体が加熱される程度が減少する。

また、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから燃料電池スタック１１の燃料流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧、温調媒体、冷媒の温度等を検出して、前記循環ポンプ１３、第１分岐弁１５、第２分岐弁１６、コンプレッサ２１、第３分岐弁２５ａ、流量調整弁２５ｂ等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。

そして、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、燃料電池スタック１１の温度が所定温度以下である場合には、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒をコンデンサバイパス管路２２ａに流入させることによって、熱交換器１４において、燃料電池温調システム１０の温調媒体を加熱するようになっている。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。まず、定常運転における動作について説明する。

図２は本発明の実施の形態における燃料電池システムの定常運転の動作を示すフローチャートである。

まず、燃料電池システムの定常運転が行われる（ステップＳ１）と、ＦＣコントロールＥＣＵは、冷凍庫用冷却システム２０の運転を開始させるためのスイッチが入れられたか否か、すなわち、冷凍機スイッチ（ＳＷ）がＯＮになったか否かの判断を繰り返し（ステップＳ２）、待機する。そして、冷凍機スイッチがＯＮになると、コンプレッサ２１を作動させ、すなわち、コンプレッサ２１をＯＮにし（ステップＳ３）、冷凍庫用冷却システム２０の運転を開始させる。なお、燃料電池システムの定常運転が行われている場合、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、循環ポンプ１３によって温調媒体管路１８を循環させられており、燃料電池スタック１１から流出して、ラジエータ１２をバイパスし、ラジエータバイパス管路１２ａ及び循環ポンプ１３を介して、熱交換器１４に流入するようになっている。

続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、検出された燃料電池スタック１１の単位セルの温度、すなわち、燃料電池温度があらかじめ設定された所定温度としての第１の所定温度、例えば、１００〔℃〕より高いか否かを判断する（ステップＳ４）。なお、前記第１の所定温度は、必ずしも１００〔℃〕である必要はなく、適宜設定することができる。そして、単位セルの温度が第１の所定温度以下である場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、第３分岐弁２５ａを操作して、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒がコンデンサバイパス管路２２ａを通って熱交換器１４に流入するようにする（ステップＳ５）。

このように、単位セルの温度が第１の所定温度以下である場合、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が熱交換器１４に流入するようにしたので、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、熱交換器１４を通過することによって熱を放出して冷却され、液化されて飽和液又は過冷却液の状態となる。そして、前記冷媒は、膨張弁２３を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されてエバポレータ２４内に流入し、冷凍庫内の空気から熱を吸収して、再び、コンプレッサ２１に吸引される。これにより、冷凍庫内の空気が冷却され、さらに、冷凍庫内の貯蔵物が冷却される。

また、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４に流入させられるので、該熱交換器１４内において、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒と熱交換を行い、該冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が放出した熱を吸収して加熱されて温度が上昇する。一方、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒は、低温の燃料電池温調システム１０の温調媒体によって冷却される。そして、温度が上昇した燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４から流出して燃料電池スタック１１内の図示されない温調媒体通路に流入し、単位セルを加熱する。これにより、高温膜としての固体高分子電解質膜の温度が上昇して電気化学反応が高い効率で行われるので、燃料電池スタック１１の出力が増加する。

なお、単位セルの温度が第１の所定温度より高い場合、第３分岐弁２５ａの操作が行われないので、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒は、熱交換器１４に流入せずに、コンデンサ２２に流入する。そのため、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、コンデンサ２２を通過することによって熱を放出して冷却され、液化されて飽和液又は過冷却液の状態となる。これにより、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４内において、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒と熱交換を行うことがないので、熱交換器１４を通過しても、加熱されず、温度が上昇しない。

そして、ＦＣコントロールＥＣＵは、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒がコンデンサバイパス管路２２ａを通って熱交換器１４に流入するようにした後、燃料電池温度があらかじめ設定された第３の所定温度、例えば、５０〔℃〕より高いか否かを判断する（ステップＳ６）。なお、前記第３の所定温度は、必ずしも５０〔℃〕である必要はなく、適宜設定することができる。そして、単位セルの温度が第３の所定温度より高い場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、流量調整弁２５ｂを操作して、熱交換器１４を通過した冷媒の一部がコンデンサ２２に流入するようにする（ステップＳ７）。

このように、単位セルの温度が第３の所定温度より高い場合、流量調整弁２５ｂを操作して、熱交換器１４を通過した冷媒の一部がコンデンサ２２に流入するようにしたので、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、熱交換器１４及びコンデンサ２２を通過することによって熱を放出して冷却され、液化されて飽和液又は過冷却液の状態となる。この場合、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が熱交換器１４内で放出する熱量は減少する。そのため、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４中において吸収する熱量が少ないので、加熱の程度が低く、温度の上昇する程度も低くなる。

続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、検出された燃料電池スタック１１の単位セルの温度、すなわち、燃料電池温度があらかじめ設定された第２の所定温度、例えば、２００〔℃〕より低いか否かを判断する（ステップＳ８）。なお、前記第２の所定温度は、必ずしも２００〔℃〕である必要はなく、適宜設定することができる。そして、単位セルの温度が第２の所定温度より低い場合には、そのまま処理を終了する。

また、単位セルの温度が第２の所定温度以上である場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、第２分岐弁１６を操作して、燃料電池温調システム１０の温調媒体がラジエータ１２に流入するようにする（ステップＳ９）。また、ＦＣコントロールＥＣＵは、第１分岐弁１５を操作して、燃料電池温調システム１０の温調媒体が熱交換器バイパス管路１４ａに流入するようにする（ステップＳ１０）。さらに、ＦＣコントロールＥＣＵは、第３分岐弁２５ａを操作して、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒がコンデンサ２２に流入するようにし（ステップＳ１１）、処理を終了する。

このように、単位セルの温度が第２の所定温度以上である場合、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器バイパス管路１４ａに流入させられるので、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒と熱交換を行わず、該冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が放出した熱を吸収しないので、温度が上昇することがない。そして、前記燃料電池温調システム１０の温調媒体は、燃料電池スタック１１内の温調媒体通路に流入しても、燃料電池スタック１１を加熱することがない。これにより、単位セルの温度を不必要に上昇させることがない。また、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、ラジエータ１２に流入させられるので、該ラジエータ１２によって冷却される。そのため、燃料電池スタック１１から流出した温調媒体の温度を低下させることでき、効果的に燃料電池スタック１１を冷却することができる。

さらに、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒がコンデンサ２２に流入させられるので、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、熱交換器１４を通過することがない。その代わり、前記冷媒は、コンデンサ２２を通過することによって熱を放出して冷却され、液化されて飽和液又は過冷却液の状態となる。そして、前記冷媒は、膨張弁２３を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されてエバポレータ２４内に流入し、冷凍庫内の空気から熱を吸収して、再び、コンプレッサ２１に吸引される。これにより、引き続き冷凍庫内の空気が冷却され、さらに、冷凍庫内の貯蔵物が冷却される。

次に、起動運転における燃料電池システムの動作について説明する。

図３は本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動運転の動作を示すフローチャートである。

まず、燃料電池システムの起動運転が行われる（ステップＳ２１）と、ＦＣコントロールＥＣＵは、冷凍庫用冷却システム２０の運転を開始させるためのスイッチが入れられたか否か、すなわち、冷凍機スイッチ（ＳＷ）がＯＮになったか否かの判断を繰り返し（ステップＳ２２）、待機する。そして、冷凍機スイッチがＯＮになると、コンプレッサ２１を作動させ、すなわち、コンプレッサ２１をＯＮにし（ステップＳ２３）、冷凍庫用冷却システム２０の運転を開始させる。なお、燃料電池システムの起動運転が行われている場合、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、循環ポンプ１３によって温調媒体管路１８を循環させられており、燃料電池スタック１１から流出して、ラジエータ１２をバイパスし、ラジエータバイパス管路１２ａ及び循環ポンプ１３を介して、熱交換器１４に流入するようになっている。

続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、検出された燃料電池スタック１１の単位セルの温度、すなわち、燃料電池温度が第１の所定温度、例えば、１００〔℃〕より高いか否かを判断する（ステップＳ２４）。そして、単位セルの温度が第１の所定温度より高い場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、燃料電池スタック１１に図示されない水素ガス貯蔵体から燃料ガスとしての水素ガスを供給させる（ステップＳ２５）。すると、水素ガスが燃料電池スタック１１の燃料室内に充満して電気化学反応が発生し、燃料電池スタック１１が起動する（ステップＳ２６）。そして、燃料電池システムは、定常運転に移行して（ステップＳ２７）、処理を終了する。

なお、単位セルの温度が第１の所定温度より高い場合、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒は、熱交換器１４に流入せずに、コンデンサ２２に流入する。そのため、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、コンデンサ２２を通過することによって熱を放出して冷却され、液化されて飽和液又は過冷却液の状態となる。これにより、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４内において、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒と熱交換を行うことがないので、熱交換器１４を通過しても、加熱されず、温度が上昇しない。

一方、単位セルの温度が第１の所定温度以下である場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、第３分岐弁２５ａを操作して、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が熱交換器１４に流入するようにする（ステップＳ２８）。

このように、単位セルの温度が第１の所定温度以下である場合、通常運転の場合と同様に、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が熱交換器１４に流入するようにしたので、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、熱交換器１４を通過することによって熱を放出して冷却され、液化されて飽和液又は過冷却液の状態となる。また、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４に流入させられるので、該熱交換器１４内において、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒と熱交換を行い、該冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が放出した熱を吸収して加熱されて温度が上昇する。一方、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒は、低温の燃料電池温調システム１０の温調媒体によって冷却される。そして、温度が上昇した燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４から流出して燃料電池スタック１１内の図示されない温調媒体通路に流入し、単位セルを加熱する。これにより、暖機運転が行われ、高温膜としての固体高分子電解質膜の温度が上昇して電気化学反応が高い効率で行われるので、燃料電池スタック１１の出力が増加する。

続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、燃料電池温度が第３の所定温度、例えば、５０〔℃〕より高いか否かを判断する（ステップＳ２９）。そして、単位セルの温度が第３の所定温度より高い場合、ＦＣコントロールＥＣＵは、流量調整弁２５ｂを操作して、熱交換器１４を通過した冷媒の一部がコンデンサ２２に流入するようにし（ステップＳ３０）、再び、起動運転後の動作を繰り返す。なお、単位セルの温度が第３の所定温度以下の場合は、そのまま、起動運転後の動作を繰り返す。

次に、停止運転における燃料電池システムの動作について説明する。

図４は本発明の実施の形態における燃料電池システムの停止運転の動作を示すフローチャートである。

まず、燃料電池システムの停止運転が行われる（ステップＳ４１）と、ＦＣコントロールＥＣＵは、第３分岐弁２５ａを操作して、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が熱交換器１４に流入するようにする（ステップＳ４２）。なお、燃料電池システムの停止運転が行われる場合、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、循環ポンプ１３によって温調媒体管路１８を循環させられており、燃料電池スタック１１から流出して、ラジエータ１２をバイパスし、ラジエータバイパス管路１２ａ及び循環ポンプ１３を介して、熱交換器１４に流入するようになっている。

続いて、ＦＣコントロールＥＣＵは、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給を停止させる（ステップＳ４３）。すると、燃料電池スタック１１の燃料室内の水素ガスの圧力が低下して電気化学反応が停止するので、燃料電池スタック１１が停止する（ステップＳ４４）。そして、ＦＣコントロールＥＣＵは、燃料室内の水素ガスの圧力が所定圧力以下になるか、又は、所定時間が経過すると燃料室内に空気を導入することによって、燃料室内の水素ガスを空気で置換し（ステップＳ４５）、処理を終了する。

このように、燃料電池システムの停止運転においては、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が熱交換器１４に流入させられるので、コンプレッサ２１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、熱交換器１４を通過することによって熱を放出して冷却され、液化されて飽和液又は過冷却液の状態となる。また、燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４に流入させられるので、該熱交換器１４内において、冷凍庫用冷却システム２０の冷媒と熱交換を行い、該冷凍庫用冷却システム２０の冷媒が放出した熱を吸収して加熱されて温度が上昇する。そして、温度が上昇した燃料電池温調システム１０の温調媒体は、熱交換器１４から流出して燃料電池スタック１１内の図示されない温調媒体通路に流入し、単位セルを加熱する。これにより、燃料室内に水素ガスが残留し、高温膜である固体高分子電解質膜の燃料極側の面に水素ガスが存在している間、固体高分子電解質膜を高温に維持することができるので、固体高分子電解質膜が劣化してしまうことがない。

このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、必要に応じて、冷凍庫を冷却するための冷凍庫用冷却システム２０の廃熱を利用して燃料電池温調システム１０の温調媒体を加熱するので、燃料電池スタック１１の高温膜を高温に維持することができる。そのため、燃料電池スタック１１の運転を効率的に行うことができる。また、起動運転においては、効果的に暖機運転を行うことができる。さらに、停止運転においては、高温膜を高温に維持することができるので、該高温膜が低温で水素ガスに接触することによって生じる劣化を防止することができる。さらに、冷凍庫内は、通常、氷点下まで冷却されるようになっているので、冬季のように外気温が低いときであっても、冷凍庫用冷却システム２０が作動し、廃熱が生じる。そのため、冬季のように外気温が低いときであっても、電気ヒータ等の加熱手段を使用することなく冷凍庫用冷却システム２０の廃熱を利用して燃料電池温調システム１０の温調媒体を加熱することができ、電力消費量を低減することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態における燃料電池システムの定常運転の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における燃料電池システムの起動運転の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態における燃料電池システムの停止運転の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０燃料電池温調システム
１１燃料電池スタック
１２ラジエータ
１３循環ポンプ
１４熱交換器
２０冷凍庫用冷却システム
２１コンプレッサ
２２コンデンサ
２２ａコンデンサバイパス管路
２４エバポレータ

Claims

雰囲気が高温かつ低湿度である場合にプロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、セパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの温度を調節する燃料電池温調システムと、
車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、
前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱することを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池温調システムは、温調媒体を循環させる循環ポンプ、温調媒体を冷却する放熱器、及び、温調媒体が選択的に流入可能な熱交換器を備え、
前記冷凍サイクル式冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、及び、前記熱交換器を通過するように配設され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に流入可能なコンデンサバイパス管路を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の温度が所定温度以下である場合、前記燃料電池温調システムの温調媒体、及び、冷凍サイクル式冷却システムの冷媒を熱交換器に流入させて熱交換させる制御装置とを更に有する請求項２に記載の燃料電池システム。
起動運転の場合、前記燃料電池の温度が所定温度より高くなるまで前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱した後、燃料ガスを燃料電池スタックに供給する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
停止運転の場合、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記燃料電池温調システムの温調媒体を加熱し、前記固体高分子電解質膜を高温に維持する請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。