JP4984546B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

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がエネルギ源として注目されている。この燃料電池では、所望の発電性能を維持するために、所定の温度範囲内で発電が行われる。そして、燃料電池は、発電時に発熱を伴うため、燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池の温度が上記所定の温度範囲内で維持されるように、燃料電池に冷却媒体を循環させて、燃料電池を冷却する。

一般に、このような燃料電池システムでは、起動時に、燃料電池を所定の発電性能が得られる温度まで昇温する暖機運転が行われる。そして、燃料電池の暖機運転を行う暖機時間を短縮することが要請されている。

従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池の暖機時間を短縮するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池と、放熱により冷却液を冷却するラジエータと、燃料電池とラジエータの間で冷却水を循環させる冷却水循環回路と、冷却水をラジエータをバイパスして流すバイパス通路と、冷却液の温度に応じて冷却水をラジエータとバイパス通路のいずれに流すか切り替えるサーモスタットバルブと、少なくとも燃料電池とバイパス通路とサーモスタットバルブとこれらを通って冷却水を循環させるバイパス循環回路とを収納するＦＣボックスと、を備える燃料電池冷却装置が記載されている。この燃料電池冷却装置では、ラジエータをバイパスして冷却水を燃料電池に循環させるバイパス循環回路をＦＣボックスに収納することによって、バイパス循環回路からの放熱を抑制し、燃料電池の暖機時間の短縮を実現している。

特開２００４−１５８２７９号公報

しかし、上記特許文献１に記載された技術では、ＦＣボックス内に冷却水ポンプが配置されており、この冷却水ポンプは、燃料電池の暖機運転時、および、通常運転時に、共通に用いられ、通常運転時には燃料電池に大量の冷却水を循環させる必要があるため、この冷却水ポンプとしては、比較的大型のものを用いる必要がある。そして、この比較的大型の冷却水ポンプをＦＣボックス内に収納するために、おのずとＦＣボックスが大型になり、搭載位置等に制限がある車両等への搭載性が悪かった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池の暖機運転の時間を短縮するとともに、燃料電池システムの車両等への搭載性を向上させることを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
燃料電池と、
該燃料電池を冷却するための冷却媒体を冷却する冷却装置と、
前記燃料電池と、前記冷却装置との間で、前記冷却媒体を循環させるための循環配管と、
該循環配管上に配設された第１のポンプと、
前記循環配管のうち、前記燃料電池と前記冷却装置との間の循環配管と、前記第１のポンプと前記燃料電池との間の循環配管とを接続することで前記冷却装置と前記第１のポンプとをバイパスするように前記冷却媒体が流れるバイパス配管と、
該バイパス配管上に配設され、前記第１のポンプよりも小型の第２のポンプと、
前記燃料電池と、前記バイパス配管と、前記第２のポンプとを収納する収納ケースと、
を備えることを要旨とする。

本発明では、燃料電池の暖機運転時には、第２のポンプを駆動して、冷却装置、および、第１のポンプを通さずに、バイパス配管を介して、燃料電池に冷却媒体を循環させる。そして、第２のポンプ、および、バイパス配管は、燃料電池とともに収納ケースに収納されているので、燃料電池の暖機運転時に、第２のポンプ、および、バイパス配管からの放熱を抑制し、燃料電池の温度を速やかに上昇させ、暖機時間を短縮することができる。また、暖機運転時には、通常運転時のように、燃料電池に冷却媒体を大量に循環させる必要がないので、第２のポンプとしては、第１のポンプよりも小型のポンプを用いればよい。したがって、収納ケースを小型化することができる。この結果、燃料電池システムの車両等への搭載性を向上させることができる。つまり、本発明によって、燃料電池の暖機運転の時間を短縮するとともに、燃料電池システムの車両等への搭載性を向上させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池は、発電するセルを複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であり、
該燃料電池は、前記スタック構造の両端を挟持するエンドプレートを備えており、
前記バイパス配管、および、前記第２のポンプの少なくとも一方は、前記エンドプレートに接合されているようにしてもよい。

こうすることによって、バイパス配管、および、第２のポンプの設置スペースを減少させ、収納ケースをさらに小型化し、燃料電池システムの車両等への搭載性をさらに向上させることができる。なお、本発明の燃料電池システムにおいて、バイパス配管、および、第２のポンプの双方が、エンドプレートに接合されているようにすることが好ましい。

上記いずれかの燃料電池システムにおいて、
前記収納ケースは、断熱性を有する部材からなるものとしてもよい。

こうすることによって、燃料電池の暖機運転時に、燃料電池と、バイパス配管と、第２のポンプとからの放熱をさらに抑制し、燃料電池の暖機時間をさらに短縮することができる。

上記いずれかの燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池から排出された前記冷却媒体の温度を検出する第１の温度センサと、
前記第１の温度センサによって検出された温度に基づいて、前記第１のポンプ、および、前記第２のポンプの駆動を制御する制御部と、
を備えるようにしてもよい。

こうすることによって、第１の温度センサによって、燃料電池の温度を間接的に測定し、燃料電池の温度に基づいて、第１のポンプ、および、第２のポンプの駆動を制御することができる。

上記燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池システムの起動時に、起動時制御として、前記第２のポンプを駆動して、前記冷却装置、および、前記第１のポンプを通さずに、前記冷却媒体を循環させ、その後、前記第１の温度センサによって検出された温度が所定値以上になったときに、前記第２のポンプを停止し、前記第１のポンプを駆動して、前記冷却装置、および、前記第１のポンプを通して、前記冷却媒体を循環させるようにしてもよい。

こうすることによって、燃料電池の温度に基づいて、燃料電池の暖機運転と、通常運転とを、適切なタイミングで切り換えることができる。

上記燃料電池システムにおいて、さらに、
前記収納ケースの外部の温度を検出する第２の温度センサを備え、
前記制御部は、前記第２の温度センサによって検出された温度が氷点下のときに、前記起動時制御を行うようにしてもよい。

こうすることによって、燃料電池の温度が十分に高いときには、燃料電池の起動時に、上記第２のポンプを駆動する起動時制御を省略するようにすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．起動時制御：
Ｃ．変形例：

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００は、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者が車両に備えられたアクセルを操作すると、図示しないアクセル開度センサによって検出された操作量に応じて、燃料電池スタック１０に、水素、および、空気が供給されて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。なお、実施例の燃料電池システム１００は、車載用である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることが可能である。

燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する単セルを複数積層させたスタック構造を有する積層体である。各単セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、水素極（アノード）と、酸素極（カソード）とを配置した構成となっている。そして、燃料電池スタック１０は、複数の単セルの積層方向の両端に、集電板、および、絶縁板を介して（図示省略）、２枚のエンドプレート１２によって挟持されている。なお、本実施例では、燃料電池スタック１０は、固体高分子型燃料電池であるものとした。燃料電池スタック１０として、他のタイプの燃料電池を用いるものとしてもよい。

燃料電池スタック１０のカソードには、図示しない空気供給系によって、酸素を含有した酸化剤ガスとしての空気が供給される。また、燃料電池スタック１０のアノードには、図示しない水素供給系によって、燃料ガスとして水素が供給される。

また、燃料電池スタック１０は、発電時に上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却媒体としての冷却水も供給される。この冷却水は、第１ポンプ３４によって、冷却水配管３２を流れ、ラジエータ３０で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。また、冷却水配管３２には、ラジエータ３０、および、第１ポンプ３４を通さずに、これらをバイパスして燃料電池スタック１０に冷却水を循環させるためのバイパス配管３６が接続されており、このバイパス配管３６には、バイパス配管３６に冷却水を流すための第２ポンプ３８が配設されている。そして、バイパス配管３６、および、第２ポンプ３８は、燃料電池スタック１０とともに、断熱性を有する部材からなるスタックケース２０に収納されている。また、本実施例では、バイパス配管３６、および、第２ポンプ３８は、エンドプレート１２に接合されているものとした。冷却水配管３２は、本発明における循環配管に相当する。また、ラジエータ３０は、本発明における冷却装置に相当する。また、スタックケース２０は、本発明における収納ケースに相当する。

なお、後述するように、第１ポンプ３４は、燃料電池システム１００の通常時制御において駆動され、第２ポンプ３８は、燃料電池システム１００の起動時制御において駆動される。通常時制御においては、燃料電池スタック１０を冷却するために、燃料電池スタック１０に大量の冷却水を循環させる必要があるため、第１ポンプ３４としては、比較的大型のポンプが用いられる。これに対し、起動時制御においては、燃料電池スタック１０を冷却する必要はなく、燃料電池スタック１０に大量の冷却水を循環させる必要はないため、第２ポンプ３８としては、比較的小型のポンプが用いられる。以下、第１ポンプ３４を、大型ポンプ３４と呼び、第２ポンプ３８を、小型ポンプ３８と呼ぶ。

また、図示するように、冷却水配管３２とバイパス配管３６との接続部よりも燃料電池スタック１０側の冷却水配管３２には、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度（冷却水温度Ｔｃ）を検出するための第１温度センサ４２が設置されている。この第１温度センサ４２によって、燃料電池スタック１０の温度を間接的に測定することができる。また、スタックケース２０の外部には、スタックケース２０の外気温Ｔｏを測定するための第２温度センサ４４が設置されている。

燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット４０によって制御される。制御ユニット４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。なお、本明細書では、燃料電池システム１００の種々の運転制御のうち、起動時制御について、後に詳細に説明する。図中には、この起動時制御を実現するために、制御ユニット４０に入出力される信号の一例を破線で示した。入力信号としては、例えば、第１温度センサ４２や、第２温度センサ４４からの検出信号などが挙げられる。出力信号としては、例えば、大型ポンプ３４や、小型ポンプ３８の制御信号などが挙げられる。制御ユニット４０は、本発明における制御部に相当する。

Ｂ．起動時制御：
本実施例の燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１０に冷却水を循環させる制御として、燃料電池システム１００の起動時に、燃料電池スタック１０の暖機運転を行う起動時制御と、起動時制御後の通常運転時に行う通常時制御との２つの制御モードが用意されている。

図２は、燃料電池システム１００の起動時制御の処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット４０のＣＰＵが実行する処理である。

燃料電池システム１００の起動スイッチがＯＮになると、まず、ＣＰＵは、第２温度センサ４４によって、スタックケース２０の外気温Ｔｏを検出し（ステップＳ１００）、この外気温Ｔｏが０℃よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１１０）。外気温Ｔｏが０℃よりも高い場合には（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、大型ポンプ３４を駆動し（ステップＳ１５０）、起動時制御を終了する。こうすることによって、後述する小型ポンプ３８の駆動制御を省略することができる。

ステップＳ１１０において、外気温Ｔｏが０℃以下である場合には（ステップＳ１１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、小型ポンプ３８を駆動し（ステップＳ１２０）、ラジエータ３０、および、大型ポンプ３４を通さずに、バイパス配管３６を介して、燃料電池スタック１０に冷却水を循環させる。

次に、ＣＰＵは、第１温度センサ４２によって、冷却水温度Ｔｃを検出し（ステップＳ１３０）、冷却水温度Ｔｃが７０℃以上であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。冷却水温度Ｔｃが７０℃未満である場合には（ステップＳ１４０：ＮＯ）、ステップＳ１３０に戻る。

ステップＳ１４０において、冷却水温度Ｔｃが７０℃以上である場合には（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、小型ポンプ３８の駆動を停止して、大型ポンプ３４を駆動し（ステップＳ１５０）、バイパス配管３６を介さずに、ラジエータ３０、および、大型ポンプ３４を通して、燃料電池スタック１０に冷却水を循環させる。そして、起動時制御を終了する。

この起動時制御の後、ＣＰＵは、通常時制御として、第１温度センサ４２によって、冷却水温度Ｔｃを検出しつつ、冷却水温度Ｔｃが所定の温度範囲内となるように、大型ポンプの駆動制御を行う。こうすることによって、燃料電池スタック１０の温度に基づいて、燃料電池スタック１０の暖機運転と、通常運転とを、適切なタイミングで切り換えることができる。

以上説明した本実施例の燃料電池システム１００によれば、バイパス配管３６、および、小型ポンプ３８が、燃料電池スタック１０とともにスタックケース２０に収納されているので、燃料電池スタック１０の暖機運転時に、バイパス配管３６、および、小型ポンプ３８からの放熱を抑制し、燃料電池スタック１０の温度を速やかに上昇させ、暖機時間を短縮することができる。また、先に説明したように、小型ポンプ３８は、大型ポンプ３４よりも十分に小さくすることができるので、大型ポンプ３４をスタックケース２０に収納する場合と比較して、スタックケース２０を小型化することができる。この結果、搭載位置等に制限がある車両等への燃料電池システム１００の搭載性を向上させることができる。つまり、本実施例の燃料電池システム１００によって、燃料電池スタック１０の暖機運転の時間を短縮するとともに、燃料電池システム１００の車両等への搭載性を向上させることができる。

また、本実施例の燃料電池システム１００では、バイパス配管３６、および、小型ポンプ３８は、エンドプレート１２に接合されているので、バイパス配管３６、および、小型ポンプ３８が、エンドプレート１２に接合されていない場合と比較して、バイパス配管３６、および、小型ポンプ３８の設置スペースを減少させ、スタックケース２０をさらに小型化することができる。

また、スタックケース２０は、断熱性を有する部材からなるので、燃料電池スタック１０と、バイパス配管３６と、小型ポンプ３８からの放熱を効果的に抑制することができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら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種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、バイパス配管３６、および、小型ポンプ３８は、エンドプレート１２に接合されているものとしたが、これに限られない。一般に、燃料電池スタック１０と、バイパス配管３６と、小型ポンプ３８とがスタックケース２０に収納されていればよく、バイパス配管３６、および、小型ポンプ３８の少なくとも一方がエンドプレート１２に接合されているようにしてもよい。また、バイパス配管３６、および、小型ポンプ３８のいずれもが、エンドプレート１２に接合されていなくてもよい。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、起動時制御のステップＳ１１０において、外気温Ｔｏが０℃より高いか否かを判断するものとし、ステップＳ１４０において、冷却水温度Ｔｃが７０℃以上であるか否かを判断するものとしたが、これに限られない。ステップＳ１１０、および、ステップＳ１４０において判断基準となる各温度は、例えば、燃料電池スタック１０の発電特性等に応じて任意に設定可能である。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、起動時制御において、ステップＳ１００、および、ステップＳ１１０の処理を行うものとしたが、これらを省略するようにしてもよい。また、ステップＳ１３０、および、ステップＳ１４０の処理の代わりに、例えば、小型ポンプ３８の駆動時間を計測し、所定時間経過後に、小型ポンプ３８を停止して、大型ポンプ３４を駆動するようにしてもよい。

本発明の一実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。 燃料電池システム１００の起動時制御の処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１２…エンドプレート
２０…スタックケース
３０…ラジエータ
３２…冷却水配管
３４…大型ポンプ（第１ポンプ）
３６…バイパス配管
３８…小型ポンプ（第２ポンプ）
４０…制御ユニット
４２…第１温度センサ
４４…第２温度センサ

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   該燃料電池を冷却するための冷却媒体を冷却する冷却装置と、
   前記燃料電池と、前記冷却装置との間で、前記冷却媒体を循環させるための循環配管と、
   該循環配管上に配設された第１のポンプと、
   前記循環配管のうち、前記燃料電池と前記冷却装置との間の循環配管と、前記第１のポンプと前記燃料電池との間の循環配管とを接続することで前記冷却装置と前記第１のポンプとをバイパスするように前記冷却媒体が流れるバイパス配管と、
   該バイパス配管上に配設され、前記第１のポンプよりも小型の第２のポンプと、
   前記燃料電池と、前記バイパス配管と、前記第２のポンプとを収納する収納ケースと、
   を備え、
   前記燃料電池は、発電するセルを複数積層させたスタック構造を有する燃料電池であり、
   該燃料電池は、前記スタック構造の両端を挟持するエンドプレートを備えており、
   前記第２のポンプは、前記エンドプレートに接合されている、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記収納ケースは、断熱性を有する部材からなる、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池から排出された前記冷却媒体の温度を検出する第１の温度センサと、
   前記第１の温度センサによって検出された温度に基づいて、前記第１のポンプ、および、前記第２のポンプの駆動を制御する制御部と、
   を備える燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池システムの起動時に、起動時制御として、前記第２のポンプを駆動して、前記冷却装置、および、前記第１のポンプを通さずに、前記冷却媒体を循環させ、その後、前記第１の温度センサによって検出された温度が所定値以上になったときに、前記第２のポンプを停止し、前記第１のポンプを駆動して、前記冷却装置、および、前記第１のポンプを通して、前記冷却媒体を循環させる、
   燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記収納ケースの外部の温度を検出する第２の温度センサを備え、
   前記制御部は、前記第２の温度センサによって検出された温度が氷点下のときに、前記起動時制御を行う、
   燃料電池システム。

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