JP5380935B2 - 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。

燃料電池システムは、燃料電池の冷却液が循環用配管によって循環され、循環用配管に設けられたラジエータ等の冷却手段によって冷却されるのが一般的である。

従来、燃料電池の低温始動性を上げるため、燃料電池における入口側の配管と出口側の配管との間にバイパス配管を設け、燃料電池の低温時には冷却液の殆どをバイパス配管と燃料電池との間で循環させ、冷却液が冷却手段によって冷却されるのを抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１，２参照。）。
特開２００６−１７９１９８号公報 特開２００６−２９４４９９号公報 特許３９７９５８２号公報 特開２００３−１２３８１３号公報

しかしながら、従来の技術では、燃料電池の低温始動性が向上するものの、燃料電池が高温（８０℃程度）になったときにも冷却液の略全量が燃料電池に供給されるため、燃料電池の冷却液に対する圧力損失が大きいことから、冷却回路を循環する冷却液流量が減少し、結果的に冷却手段に流入する冷却液の単位時間あたりの流量が少なくなるため、冷却液に対する冷却手段の冷却効果が低下するという問題があった。また、冷却液流量を増加させようとすると、冷却液循環手段を大型化しなければならいないという問題があった。

なお、燃料電池の圧力損失とは、周知のように冷却液が燃料電池の流路内を流れる際に、冷却液と流路との間の摩擦抵抗によって冷却液の運動エネルギーの一部が熱や音の形で失われ、流路の出口圧力が入口圧力より低くなる現象である。

本発明は、このような問題に鑑みなされたもので、燃料電池の高温時に冷却液に対する冷却手段の冷却効果が低下するのを抑制できる技術の提供を目的とする。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
すなわち、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池の冷却液を冷却する冷却手段と、前記燃料電池の冷却液入口と前記冷却手段の冷却液出口との間に設けられた流入配管と、前記燃料電池の冷却液出口と前記冷却手段の冷却液入口との間に設けられた流出配管と、前記流入配管に設けられ前記冷却液を循環させる循環手段と、前記循環手段と前記燃料電池間の前記流入配管と、前記流出配管との間に設けられた第１のバイパス配管と、前記第１のバイパス配管と前記流入配管との接続部に設けられ、前記冷却手段から流出した前記冷却液における前記第１のバイパス配管側又は前記燃料電池側に流れる流量を調整する第１の流量調整手段と、前記燃料電池から流出した前記冷却液の温度が第１の閾値より高い場合に、前記第１の流量調整手段を制御することにより、前記燃料電池に流入する前記冷却液の流量を一部に制限する制御手段と、を備える。

本発明によれば、燃料電池が第１の閾値（例えば８０℃）より高温の時には、燃料電池に流入する冷却液の流量が一部に制限される。これにより、燃料電池の圧力損失の影響は
冷却液の一部に及ぶだけで、冷冷却液全体に対する影響は小さくなる。従って、冷却液に対する冷却手段の冷却効果が低下するのを抑制できる。

ここで、前記冷却液の一部は、前記燃料電池の冷却に必要な最低流量以上である構成にできる。この構成によれば、燃料電池から流出する冷却液が高温の場合には、燃料電池にその冷却に必要な量の冷却液が供給されるので、燃料電池の性能を確実に保持できる。また、前記燃料電池の冷却に必要な最低流量は、前記燃料電池に流入する前記冷却液と流出する前記冷却液との温度差が所定値以下となる流量である構成にできる。この構成によれば、燃料電池の冷却による温度変化を小さくできる。所定値としては、例えば２０℃を例示できる。

また、前記循環手段と前記冷却手段間の前記流入配管と、前記流出配管との間に設けられた第２のバイパス配管と、前記第２のバイパス配管と前記流入配管との接続部、又は前記第２のバイパス配管と前記流出配管との接続部に設けられ、前記燃料電池から流出した前記冷却液が前記冷却手段に流れる流量を調整する第２の流量調整手段と、を更に備え、前記制御手段は、前記燃料電池から流出した前記冷却液の温度が第２の閾値より低い場合に、前記第２の流量調整手段を制御することにより、前記第２のバイパス配管を介して前記冷却手段に流入する前記冷却液の流量を０に制限する構成にできる。

この構成によれば、冷却液の温度が第２の閾値より低い場合には、冷却手段に流れる冷却液の流量を０に制限することにより、冷却液が冷却されるのを抑制できるので、燃料電池の温度制御性が向上する。

本発明によれば、燃料電池から流出する冷却液の温度が第１の閾値以上（高温）の時には、燃料電池に流入する冷却液の流量が一部に制限されるので、冷却液の一部にだけ燃料電池の圧力損失の影響が及び、冷却液全体に対する燃料電池の圧力損失の影響は小さくなる。これにより、冷却液全体に対する冷却手段の冷却効果が低下するのを抑制できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す。この燃料電池システム１は、燃料電池（ＦＣ）１１と、この燃料電池１１の冷却液を冷却する冷却手段であるラジエータ１２と、燃料電池１１における冷却液の流入口１１ａとラジエータ１２における冷却液の流出口１２ａ間に設けられた流入配管１３と、燃料電池１１における冷却液の流出口１１ｂとラジエータ１２における冷却液の流入口１２ｂ間に設けられた流出配管１４と、流入配管１３に設けられ冷却液を循環させる循環手段であるポンプ１５と、ポンプ１５と燃料電池１１間の流入配管１３と流出配管１４との間に設けられた第１バイパス配管１６と、を備えている。

また、この燃料電池システム１は、第１バイパス配管１６と流入配管１３との接続部に設けられ、ラジエータ１２から流出し燃料電池１１側に流れる冷却液の流量を調整する第１の流量調整手段である第１バルブ１７と、燃料電池１１から流出した冷却液の温度が第１の閾値Ｔａより高い場合に、第１バルブ１７を制御することにより、燃料電池１１に流入する冷却液の流量を一部に制限する制御手段１８とを備えている。

更に、この燃料電池システム１は、第１バイパス配管１６に設けられたイオン交換器２
３と、ポンプ１５とラジエータ１２間の流入配管１３と流出配管１４との間に設けられた第２バイパス配管１９と、第２バイパス配管１９と流入配管１３との接続部又は第２バイパス配管１９と流出配管１４との接続部に設けられ、燃料電池１１から流出した冷却液のラジエータ１２側に流れる流量を調整する第２の流量調整手段である第２バルブ２０と、燃料電池１１の発電電圧を計測する電圧計２１、電流を計測する電流計２２、及び燃料電池１１から流出する冷却液の温度を計測する温度計２４と、を備えている。

次に、上記各構成要素について説明する。燃料電池１１は、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)を例示できる。この燃料電池１１は、一般的な構成を使用できるので、ここではその概略について説明する。

燃料電池１１は、少なくとも１つのセルから構成されている。セルは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を両側から挟む燃料極(アノード)及び空気極(酸化剤極：カソード)と、これらの燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及び空気極側セパレータとから成されている。

燃料極は、拡散層と触媒層とを有している。水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料が、燃料供給系により燃料極に供給される。燃料極に供給された燃料は、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って空気極に移動し、電子は外部回路(図示せず)を通って空気極に移動する。

一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有する。空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系により空気極に供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、固体高分子電解質膜を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる反応を通じて水が生成される。

燃料極及び空気極における反応の際に外部回路を通る電子が、燃料電池１１の両端子間に接続される負荷に対する電力として使用される。また、燃料電池１１には、燃料を供給及び排出するための燃料供給／排出系と、酸化剤を供給及び排出するための酸化剤供給／排出系とが接続される。なお、図１においては、燃料供給／排出系、酸化剤供給／排出系の構成を省略したが、これらの構成は一般的なものを使用できる。

ラジエータ１２は、ファン２５を有するものを例示できる。ポンプ１５は、流量調整機能を有している。第１及び第２バルブ１７，２０は、３方弁を例示できる。これらのラジエータ１２，ポンプ１５、第１及び第２バルブ１７，２０は、一般的なものを例示得きる。また、イオン交換器２３は、冷却液内のイオンを除去するものであり、一般的なイオンフィルターを例示できる。

制御手段１８は、温度計２４，電圧計２１及び電流計２２の出力に基づいて、第１バルブ１７及び第２バルブ２０を制御する。本実施形態では、制御手段１８は、温度計２４の出力に基づいて第１バルブ１７を制御することにより、ラジエータ１２から流出した冷却液が燃料電池１１に流入する流量を一部に制限する。ここでは、制御手段１８は、燃料電池１１における流出する冷却液と流入する冷却液との温度差が、例えば２０℃以下になるように冷却液の流量を制限する。これは、燃料電池１１の温度変化を小さくするためである。また、本実施形態では、制御手段１８は、温度計２４の出力に基づいて第２バルブ２０を制御し、燃料電池１１から流出した冷却液がラジエータ１２側に流れる流量を０に制限する。

次に、この燃料電池システム１の作用を説明する。制御手段１８は、燃料電池１１から流出した冷却液の温度が、第１の閾値（例えば８０℃）より高温の場合は、第１バルブ１７を制御することにより、流入配管１３から燃料電池１１に流入する冷却液の流量を一部に制限する。

ここでは、燃料電池１１に流入する冷却液の流量を、燃料電池１１の冷却に必要な流量、例えば燃料電池１１に流入する冷却液の温度と流出する冷却液の温度との差が２０℃以下になる流量にする。このように燃料電池１１から流出する冷却液と、燃料電池１１に流入する冷却液との温度差を２０℃以下にするのは、燃料電池１１の温度変化をできるだけ小さくするためである。

図２は、ポンプ１５の流量が一定（例えば、０．１ｍ^３/ｍ）の場合に、第１バルブ１７における燃料電池１１側及び第１バイパス配管１６側の開度、燃料電池システム１における冷却液流路系全体の冷却液に対する圧力損失との関係を示す。図２から分かるように、燃料電池１１側と第１バイパス１６側に流れる冷却液の流量が略同様になるように、第１バルブ１７の開度を設定した場合（Ａ点）に比べて、燃料電池１１又は第１バイパス配管１６の何れか一方に流れる冷却液の流量が他方より多くなるように、第１バルブ１７の開度を設定した場合には、系全体の圧力損失が大きくなる。これは、燃料電池１１又は第１バイパス配管１６の一方に流入する冷却液の流量が増加すると、燃料電池１１又は第１バイパス配管１６の圧力損失が増大して、結果的に系全体の圧力損失が増加するためである。

本実施形態では、第１バルブ１７の開度を燃料電池１１に流入する冷却液の流量が最大流量（Ｂ点）側からＡ点側に減少するように調整することにより、燃料システム１の冷却液系全体の圧力損失を減少させる。但し、次に説明するように、第１バルブ１７の開度を、燃料電池１１に流れる冷却液の流量が燃料電池１１の冷却に必要な最低流量以上流れるように調整する。これにより、燃料電池１１の性能を確保する。

図３及び図４は、第１バルブ１７の開度と、燃料電池１１の冷却液流入量、及びラジエータ１２の冷却液流入量との関係を示す。図３及び図４に示すように、第１バルブ１７における燃料電池（ＦＣ）１１側の開度又は第１バイパス配管１６側の開度を調整することにより、燃料電池１１及びラジエータ１２に流れる冷却液の流量を調整できる。

ここで、図３は、燃料電池１１の冷却に必要な冷却液の最低流量が比較的低い場合（燃料電池１１の温度が比較的低い場合等）、図４は最低流量が比較的多い場合（燃料電池１１の温度が比較的高い場合等）を示す。

図３の場合は、燃料電池１１に流れる冷却液の流量が、燃料電池１１の冷却に必要な最低流量以上になる範囲内で、ラジエータ１２に流れる冷却液が最大流量になる点Ｃが存在する。この場合は、制御手段１８は、第１バルブ１７の開度をラジエータ１２に流れる冷却液の流量が最大流量になるように制御する（Ｄ点）。

これにより、燃料電池１１に流入する冷却液の流量を一部に制限して、燃料電池１１の圧力損失が冷却液全体に及ぼす影響を抑制できる。従って、ラジエータ１２に流れる冷却液の単位時間あたりの流量が減少するのを抑制でき、冷却液全体に対する却効果が低下するのを抑制できる。また、ラジエータ１２に流れる冷却液を最大流量にすることにより、ラジエータ１２による冷却液に対する冷却効果を更に向上させることができる。

また、図４の場合は、燃料電池１１に流れる冷却液の流量が、燃料電池１１の冷却に必要な最低流量より少なくなる範囲内で、ラジエータ１２に流れる冷却液が最大流量になる
点Ｃが存在する。この場合は、制御手段１８は、第１バルブ１７の開度を燃料電池１１に流れる冷却液が燃料電池１１の冷却に必要な最低流量になるように制御する（Ｅ点）。これにより、燃料電池１１の性能を確保できる。また、燃料電池１１に流れる冷却液の流量が一部に制限されるので、燃料電池１１の冷却液全体に対する圧力損失の影響を抑制できる。従って、ラジエータ１２に流れる冷却液の単位時間あたりの流量が減少するのを抑制して、冷却液全体に対するラジエータ１２の冷却効果が低下するのを抑制できる。

また、本実施形態では、図１の燃料電池１１から流出配管１４に流出した冷却液の温度が第２の閾値（例えば７０℃）より低温の場合は、制御手段１８は第２バルブ２０を制御することにより、燃料電池１１から流出した冷却液がラジエータ１２に流入する流量を０に制限し、冷却液を燃料電池１１と第２バイパス配管２０との間で循環させる。このように、燃料電池１１から流出する冷却液の温度が第２の閾値より低い場合には、燃料電池１１から流出した冷却液がラジエータ１２によって冷却されずに燃料電池１１に流入するので、燃料電池１１の温度制御性が向上する。

図５は、燃料電池１１の起動処理を示すフローチャートである。なお、ここでは、燃料電池１１を冷却するの必要な冷却液の最低流量が比較的多い場合（図４の場合）について説明する。

ここでは、まず、制御手段１８は、温度計２４，電圧計２１，及び電流計２２により、燃料電池１１から流出した冷却液の温度、燃料電池１１の発電電圧及び電流を検出する（Ｓ１）。

次に、制御手段１８は、燃料電池１１から流出した冷却液の温度が第１閾値Ｔａ（例えば８０℃）より高いか否かを判断する（Ｓ２）。ステップ（Ｓ２）で制御手段１８が、燃料電池１１から流出した冷却液の温度が第１閾値Ｔａより高いと判断した場合は、次に、制御手段１８はポンプ１５の回転数を最大にして冷却液の循環量を最大にする（Ｓ３）。次に、制御手段１８は、燃料電池１１の発電電力の電圧及び電流に基づいて、燃料電池１１の発熱量を算出する（Ｓ４）。

次に、制御手段１８は、燃料電池１１を冷却するのに必要な冷却液の流量、例えば燃料電池１１に流入する冷却液と流出する冷却液との温度差が所定値（例えば２０℃）以下になる流量を算出する（Ｓ５）。

次に、制御手段１８は、第１バルブ１７を制御することにより、ラジエータ１２から流出した冷却液が、燃料電池１１の冷却に必要な最低流量だけ燃料電池１１に流入し、残りの冷却液は第１バイパス配管１６側に流れるようにする（Ｓ６）。次に、制御手段１８は、ステップ（Ｓ１）以降の処理を繰り返して行う。

また、ステップ（Ｓ２）で制御手段１８が、冷却液の温度が第１閾値Ｔａより高くないと判断した場合は、次に制御手段１８は燃料電池１１から流出する冷却液の温度が第２閾値Ｔｂ（例えば７０℃）より低いか否かを判断する（Ｓ７）。

ステップ（Ｓ７）で制御手段１８が、冷却液の温度は第２閾値Ｔｂより低いと判断した場合は、次に、制御手段１８は第２バルブ２０を制御することにより、燃料電池１１から流出した冷却液が第２バイパス配管２０と燃料手段１１との間を循環し、冷却液がラジエータ１２側に流れないように制限する（Ｓ８）。また、ステップ（Ｓ７）で制御手段１８が、冷却液の温度は第２閾値Ｔｂより低くないと判断した場合は、ステップ（Ｓ１）以降の処理を繰り返して行う。

本発明によれば、燃料電池１１から流出する冷却液が第１閾値Ｔａ（例えば８０℃）より高温の時には、燃料電池１１に流入する冷却液の流量を一部、例えば燃料電池１１の冷却に必要な最最低流量、又は最低流量以上でラジエータ１２に流れる最大流量に制限するので、冷却液の全量を燃料電池１１に流入させる場合に比べて、冷却液全体に対する燃料電電値１１の圧力損失の影響を小さくできる。従って、ラジエータ１２による冷却液全体に対する冷却効果の低下を抑制できる。

また、燃料電池１１から流出する冷却液が第２閾値Ｔｂ（例えば７０℃）より低温の時には、ラジエータ１２に冷却液が流入するのを停止し、燃料電池１１と第２バイパス配管２０との間で冷却液を循環させるので、冷却液が冷却されるのを抑制できる。従って、燃料電池１１の温度制御性が向上する。

実施形態に係る燃料電池システムを示す図である、 実施形態に係る第１バルブの開度と燃料電池システムの冷却液系の圧力損失との関係を示す図である。 実施形態に係る燃料電池の冷却に必要な最低流量が比較的少ない場合における第１バルブの開度と冷却液の流量との関係を示す図である。 実施形態に係る燃料電池の冷却に必要な最低流量が比較的多い場合における第１バルブの開度と冷却液の流量との関係を示す図である。 実施形態に係る燃料電池の起動処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１１ａ 冷却液入口
１１ｂ 冷却液出口
１２ ラジエータ
１２ａ 冷却液出口
１２ｂ 冷却液入口
１３ 流入配管
１４ 流出配管
１５ ポンプ（循環手段）
１６ 第１バイパス配管
１７ 第１バルブ
１８ 制御手段
１９ 第２バイパス配管
２０ 第２バルブ
２１ 電圧計
２２ 電流計
２３ イオン交換器
２４ 温度計
２５ ファン

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の冷却液を冷却する冷却手段と、
   前記燃料電池の冷却液入口と前記冷却手段の冷却液出口との間に設けられた流入配管と、
   前記燃料電池の冷却液出口と前記冷却手段の冷却液入口との間に設けられた流出配管と、
   前記流入配管に設けられ前記冷却液を循環させる循環手段と、
   前記循環手段と前記燃料電池間の前記流入配管と、前記流出配管との間に設けられ、前記燃料電池をバイパスする第１のバイパス配管と、
   前記第１のバイパス配管と前記流入配管との接続部に設けられ、前記冷却手段から流出した前記冷却液が前記第１のバイパス配管を経由して前記冷却手段側に流れる流量、又は前記燃料電池側に流れる流量を調整する第１の流量調整手段と、
   前記燃料電池から前記流出配管に流出した前記冷却液の温度が第１の閾値より高い場合に、前記第１の流量調整手段を制御することにより、前記燃料電池に流入する前記冷却液の流量を一部に制限する制御手段と、
   を備え、
   前記冷却液の流量の一部は、前記燃料電池の冷却に必要な最低流量以上である燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の冷却に必要な最低流量は、前記燃料電池に流入する前記冷却液と流出する前記冷却液との温度差が所定値以下となる流量である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記循環手段と前記冷却手段間の前記流入配管と、前記流出配管との間に設けられ、前記冷却手段をバイパスする第２のバイパス配管と、
   前記第２のバイパス配管と前記流入配管との接続部、又は前記第２のバイパス配管と前記流出配管との接続部に設けられ、前記燃料電池から流出した前記冷却液が前記冷却手段に流れる流量を調整する第２の流量調整手段と、を更に備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池から前記流出配管に流出した前記冷却液の温度が第２の閾値より低い場合に、前記第２の流量調整手段を制御することにより、前記第２のバイパ
   ス配管を介して前記冷却手段に流入する前記冷却液の流量を０に制限する請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

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