JP5130622B2 - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。

現在、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。このような燃料電池システムにおいては、燃料電池の運転温度を調整するための温度調整装置（冷却装置等）が設けられている。近年においては、外気温度が低くなるほど燃料電池の目標運転温度を高く設定するように温度調整装置を制御することにより、燃料電池の平均温度を略一定に維持する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−１９１４２５号公報

特許文献１に記載されたような従来の温度制御技術においては、外気温度が高くなった場合においても燃料電池を一定温度まで冷却するように温度調整装置を制御する。しかし、高い外気温度の下で高温になった燃料電池を冷却するには、冷却ファンの回転数上昇や冷却水ポンプの供給流量増大のために多大なエネルギが要求され、システムのエネルギが温度調整の際に多く消費されてしまう。この結果、システム全体の効率（消費エネルギに対する出力エネルギの割合）が低下してしまうという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転温度を調整する温度調整装置を備えた燃料電池システムにおいて、温度調整の際に消費されるエネルギを抑制して、システム全体の効率を高めることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池の運転温度が目標運転温度になるように調整する温度調整装置と、を備える燃料電池システムにおいて、温度調整装置は、外気温度の上昇に伴って前記目標運転温度を上昇させるものである。

かかる構成によれば、外気温度の上昇に伴って、燃料電池の目標運転温度を上昇させることができるので、外気温度が高くなって燃料電池が比較的高温になった場合には、余分な温度調整を行う必要がなくなる。従って、燃料電池の運転温度調整の際に消費されるエネルギを抑制することができ、システム全体の効率を高めることが可能となる。

前記燃料電池システムにおいて、温度調整装置は、前記目標運転温度の上限値を設定するものであることが好ましい。

このようにすることにより、燃料電池の運転温度に上限を設けることができるので、燃料電池を構成する各種部品（例えば固体高分子型電解質膜やセパレータ等）の劣化を抑制することが可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、温度調整装置は、外気温度が所定値以下の場合に前記目標運転温度を一定値に設定する一方、外気温度が所定値を超えた場合に外気温度の上昇に伴って前記目標運転温度を上昇させるものであることが好ましい。

このようにすることにより、外気温度が低下した場合においても、燃料電池の運転温度を一定値のまま維持することができるので、低温環境下における燃料電池の特性の低下を抑制することが可能となる。

また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。

かかる構成によれば、燃料電池の運転温度調整の際に消費されるエネルギを抑制することが可能な燃料電池システムを備えているため、燃料電池システムの発電エネルギを移動体の駆動力に効果的に活用することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の運転温度を調整する温度調整装置を備えた燃料電池システムにおいて、温度調整の際に消費されるエネルギを抑制して、システム全体の効率を高めることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、燃料電池１０を冷却する冷却配管系４、システム全体を統合制御する制御装置５、外気温度を検出する図示されていない外気温度センサ等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池車両のトラクションモータ１２に電力を供給するインバータ、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種補機類に電力を供給するインバータ、二次バッテリへの充電や二次バッテリからのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。なお、本実施形態においては、固体高分子型電解質膜を備える燃料電池１０（固体高分子型燃料電池）を採用している。

酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。コンプレッサ２４の動作は、制御装置５により制御される。

水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。

水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ３４を採用している。遮断弁３３及びレギュレータ３４の動作は制御装置５により制御される。

循環流路３２には、気液分離器３５及び排気排水弁３６を介して、排出流路３７が接続されている。気液分離器３５は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３６は、制御装置５からの指令によって作動することにより、気液分離器３５で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３８が設けられている。なお、排出流路３７内のガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて、排気流路２３内のガスと合流するようになっている。

冷却配管系４は、燃料電池１０の冷却水供給口に接続された冷却水供給用配管４１と、燃料電池１０の冷却水排出口に接続された冷却水排出用配管４２と、を備えており、冷却水供給用配管４１を介して燃料電池１０に冷却水が供給される一方、冷却水排出用配管４２を介して燃料電池１０から冷却水が外部に排出される。冷却水供給用配管４１と冷却水排出用配管４２とは冷却ファン４３を有するラジエータ４４を介して接続されている。冷却水供給用配管４１には、冷却水を加圧して循環させる冷却水ポンプ４５が設けられている。また、冷却水排出用配管４２には、燃料電池１０から排出される冷却水の温度（すなわち燃料電池１０の運転温度）を検出する温度センサ４６が設けられている。温度センサ４６で検出された温度に係る情報は、制御装置５に伝送されて、冷却水の温度制御に用いられる。

制御装置５は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。

具体的には、制御装置５は、温度センサ４６で検出された温度（すなわち燃料電池１０の運転温度）が所定の目標値（目標運転温度）に到達するように冷却ファン４３及び冷却水ポンプ４５を制御して、冷却配管系４の冷却水の温度を調整する。すなわち、制御装置５と冷却ファン４３と冷却水ポンプ４５とにより、本発明における温度調整装置の一実施形態が構成される。

また、制御装置５は、外気温度センサを介して燃料電池システム１の外気温度を検出し、外気温度が所定値（例えば１０℃）以下の場合に、燃料電池１０の目標運転温度を一定値（例えば５０℃）に設定する一方、外気温度が所定値を超えた場合に、外気温度の上昇に伴って燃料電池１０の目標運転温度を上昇させる。また、制御装置５は、燃料電池１０の目標運転温度の上限値（例えば８０℃）を設定する。そして、制御装置５は、温度センサ４６で検出された温度（燃料電池１０の運転温度）が、設定した目標運転温度に到達するように、冷却ファン４３及び冷却水ポンプ４５を制御して、冷却配管系４の冷却水の温度を調整する。

続いて、図２のフローチャート及び図３のマップを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の燃料電池１０の運転温度調整方法について説明する。

燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置５で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。かかる通常運転時においては、燃料電池１０の発電に伴って熱が発生し、燃料電池１０の温度が上昇する。このため、本実施形態においては、燃料電池１０の運転温度が目標運転温度に到達するように冷却ファン４３及び冷却水ポンプ４５を駆動制御して、冷却配管系４の冷却水の温度を調整する。

すなわち、まず、燃料電池システム１の制御装置５は、外気温度センサを介して、外気温度Ｔを検出する（外気温度検出工程：Ｓ１）。次いで、制御装置５は、外気温度検出工程Ｓ１で検出した外気温度Ｔが下限温度Ｔ₁を超えるか否かを判定する（第１温度判定工程：Ｓ２）。下限温度Ｔ₁は、本発明における所定値の一実施形態であり、燃料電池１０の仕様等に応じて適宜設定することができる。下限温度Ｔ₁としては、燃料電池１０の発電効率が低下し始めるような比較的低い温度（例えば１０℃）を採用することができる。

制御装置５は、第１温度判定工程Ｓ２において外気温度Ｔが下限温度Ｔ₁を超えるものと判定した場合には、外気温度Ｔが上限温度Ｔ₂未満であるか否かを判定する（第２温度判定工程：Ｓ３）。上限温度Ｔ₂は、燃料電池１０の目標運転温度の上限を定める際に用いられる比較的高い温度（例えば４０℃）であり、燃料電池１０を構成する固体高分子電解質膜の特性等に応じて適宜設定することができる。そして、制御装置５は、第２温度判定工程Ｓ３において外気温度Ｔが上限温度Ｔ₂未満であると判定した場合には、燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aを、外気温度Ｔに一定温度ΔＴを加えた温度に設定する（可変目標温度設定工程：Ｓ４）。すなわち、図３に示すように、外気温度Ｔが下限温度Ｔ₁を超えかつ上限温度Ｔ₂未満である場合には、燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aは以下の式により算出される可変値となる。なお、一定温度ΔＴ（例えば４０℃）は、燃料電池１０の仕様等に応じて適宜設定する。
Ｔ_A＝Ｔ＋ΔＴ （Ｔ₁＜Ｔ＜Ｔ₂）

一方、制御装置５は、第１温度判定工程Ｓ２において外気温度Ｔが下限温度Ｔ₁以下であると判定した場合には、燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aを、下限温度Ｔ₁に一定温度ΔＴを加えた温度に設定する（下限目標温度設定工程：Ｓ５）。すなわち、図３に示すように、外気温度Ｔが下限温度Ｔ₁以下である場合には、燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aは以下の式により算出される一定値（目標運転温度の下限値）となる。
Ｔ_A＝Ｔ₁＋ΔＴ （Ｔ≦Ｔ₁）

また、制御装置５は、第２温度判定工程Ｓ３において外気温度Ｔが上限温度Ｔ₂以上であると判定した場合には、燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aを、上限温度Ｔ₂に一定温度ΔＴを加えた温度に設定する（上限目標温度設定工程：Ｓ６）。すなわち、図３に示すように、外気温度Ｔが上限温度Ｔ₂以上である場合には、燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aは以下の式により算出される一定値（目標運転温度の上限値）となる。
Ｔ_A＝Ｔ₂＋ΔＴ （Ｔ₂≦Ｔ）

続いて、制御装置５は、温度センサ４６で検出された温度（燃料電池１０の運転温度）が、可変目標温度設定工程Ｓ４、下限目標温度設定工程Ｓ５又は上限目標温度設定工程Ｓ６を経て設定された目標運転温度Ｔ_Aに到達するように、冷却ファン４３及び冷却水ポンプ４５を制御して、冷却配管系４の冷却水の温度を調整する（温度調整工程：Ｓ７）。以上の工程群を経て、燃料電池１０の運転温度を調整する。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、外気温度Ｔが下限温度Ｔ₁を超えかつ上限温度Ｔ₂未満である場合に、外気温度Ｔの上昇に伴って燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aを上昇させることができるので、外気温度Ｔが高くなって燃料電池１０が比較的高温になった場合には、余分な温度調整を行う必要がなくなる。従って、燃料電池１０の運転温度調整の際に消費されるエネルギを抑制することができ、システム全体の効率を高めることが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aの上限値（Ｔ₂＋ΔＴ）を設定しているため、燃料電池１０の運転温度に上限を設けることができる。従って、燃料電池１０を構成する各種部品（固体高分子型電解質膜やセパレータ等）の劣化を抑制することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、外気温度Ｔが下限温度Ｔ₁以下の場合に、燃料電池１０の目標運転温度Ｔ_Aを一定値（Ｔ₁＋ΔＴ）に設定しているため、外気温度Ｔが低下した場合においても燃料電池１０の運転温度を一定値のまま維持することができる。従って、低温環境下における燃料電池１０の特性の低下を抑制することが可能となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）は、燃料電池１０の運転温度調整の際に消費されるエネルギを抑制することが可能な燃料電池システム１を備えているため、燃料電池システム１の発電エネルギを駆動力に効果的に活用することが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３８を設けた例を示したが、水素ポンプ３８に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３６を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３５で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置５で排気弁を制御することもできる。

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの燃料電池の運転温度調整方法を説明するためのフローチャートである。 図１に示した燃料電池システムの外気温度と目標運転温度との関係を表すマップである。

符号の説明

１…燃料電池システム、５…制御装置（温度調整装置の一部）、１０…燃料電池、４３…冷却ファン（温度調整装置の一部）、４５…冷却水ポンプ（温度調整装置の一部）

Claims (4)

1. 冷却水により冷却される燃料電池と、この燃料電池の運転温度が目標運転温度（Ｔ_A）になるように前記冷却水の温度を調整する温度調整装置と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記温度調整装置は、外気温度（Ｔ）が所定の下限温度（Ｔ₁）を超えかつ所定の上限温度（Ｔ₂）未満である場合に、前記目標運転温度（Ｔ_A）を、外気温度（Ｔ）に一定温度（ΔＴ）を加えた可変値とするものであり、
   前記下限温度（Ｔ ₁ ）は、前記燃料電池の発電効率が低下し始めるような比較的低い温度であって前記燃料電池の仕様に応じて設定されるものであり、
   前記上限温度（Ｔ ₂ ）は、前記燃料電池を構成する固体高分子型電解質膜の劣化をもたらすような比較的高い温度であって前記固体高分子型電解質膜の特性に応じて設定されるものである、
   燃料電池システム。
2. 前記温度調整装置は、外気温度（Ｔ）が前記上限温度（Ｔ₂）以上である場合に、前記目標運転温度（Ｔ_A）を、前記上限温度（Ｔ₂）に一定温度（ΔＴ）を加えた一定値とする、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記温度調整装置は、外気温度（Ｔ）が前記下限温度（Ｔ₁）以下である場合に、前記目標運転温度（Ｔ_A）を、前記下限温度（Ｔ₁）に一定温度（ΔＴ）を加えた一定値とする、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システムを備えた、
   移動体。

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