JP5673580B2

JP5673580B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5673580B2
Application number: JP2012030753A
Authority: JP
Inventors: 圭岡本; 知之加古
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2032-02-15
Also published as: JP2013168281A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

いわゆる燃料電池車両には、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが搭載されている。

上記燃料電池システムには、燃料電池を冷却するための冷却水が流れる冷却回路と、車両内の空調に送られる空気を加熱するため冷却水が流れる空調用回路と、冷却回路と空調用回路を接続するバイパス回路を備えているものがある（特許文献１参照）。

冷却回路は、ラジエータと燃料電池の間で冷却水を循環させる。空調用回路は、冷却水をヒータで加熱し当該冷却水をヒータコアに供給して空調用の空気を加熱する。バイパス回路は、燃料電池で加熱された所定の温度以上の冷却水を冷却回路から空調用回路に供給する。これにより、燃料電池の廃熱を、空調用の空気を加熱する熱に利用してシステムの燃費を向上している。

特開２０１０−２８２８０８号公報

しかしながら、上記燃料電池システムの場合、空調用回路側の温度も考慮した最適な燃費制御になっていない。つまり、冷却回路にある冷却水の温度が空調用回路にある冷却水の温度より低い場合に、冷却回路の冷却水を空調用回路に供給すると、相対的に低温の冷却水を空調用回路のヒータに供給することになり、冷却水を加熱するためのヒータの消費電力が大きくなってしまう。これにより、燃料電池システムの燃費も低下する。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、空調用回路のヒータの消費電力を低減し、燃料電池システム全体の燃費を向上することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、熱交換器で冷却された熱媒体を燃料電池に供給し、当該燃料電池を冷却した熱媒体を前記熱交換器に戻す冷却回路と、ヒータで加熱された熱媒体をヒータコアに供給し、当該ヒータコアで空調用の空気を加熱した熱媒体を前記ヒータに戻す空調用回路と、前記冷却回路の前記燃料電池の出口側の熱媒体を前記空調用回路のヒータに供給し、前記ヒータコアの出口側の前記熱媒体を前記冷却回路に戻すためのバイパス回路と、前記冷却回路の燃料電池の出口側から前記空調用回路のヒータへの熱媒体の供給と、前記空調用回路のヒータコアからヒータへの熱媒体の供給を切り替え可能な切り替え装置と、前記燃料電池の出口側の熱媒体の温度を測定する第１の温度センサと、前記ヒータコアの出口側の熱媒体の温度を測定する第２の温度センサと、前記第１の温度センサと前記第２の温度センサにより、前記燃料電池の出口側の熱媒体の温度と前記ヒータコアの出口側の熱媒体の温度を測定し、温度の高い方の熱媒体を前記ヒータに供給するように前記切り替え装置を制御する制御装置と、を有する燃料電池システムである。

本発明によれば、ヒータコアの出口側の熱媒体と燃料電池の出口側の熱媒体のうち、より温度が高い方の熱媒体をヒータに供給できるので、熱媒体を加熱するためのヒータの消費電力を低減でき、燃料電池システム全体の燃費を向上できる。

本発明によれば、空調用回路のヒータの消費電力を低減できるので、燃料電池システム全体の燃費を向上できる。

燃料電池システムの冷却水の回路構成を模式的に示す説明図である。ヒータに冷却水を供給するための制御のフローチャートである。三方弁のバイパス側が開の場合の冷却水の流れを示す説明図である。三方弁のバイパス側が閉の場合の冷却水の流れを示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる燃料電池システム１の熱媒体としての冷却水の回路構成を示す説明図である。

燃料電池システム１は、例えば燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両は、燃料電池システム１による発電により駆動する。

燃料電池システム１は、例えば燃料電池１０と、燃料電池１０を冷却する冷却水を循環させる冷却回路１１と、車室の空調用の空気を加熱するための冷却水を循環させる空調用回路１２と、冷却回路１１と空調用回路１２を接続するバイパス回路１３と、制御装置１４を有している。

燃料電池１０は、例えば高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成された空気極と、電解質膜の他方の面に形成された燃料極と、空気極及び燃料極を両側から挟み込む一対のセパレータとを有している。燃料電池１０は、酸化ガスを空気極に、燃料ガスを燃料極に供給することによって発電し、この電力が燃料電池車両の駆動源として使用される。

冷却回路１１は、燃料電池１０と熱交換器としてのラジエータ２０を接続し、燃料電池１０とラジエータ２０との間で冷却水を循環させる。冷却回路１１は、例えばラジエータ２０の出口側と燃料電池１０の入口側を接続する第１の回路２１と、燃料電池１０の出口側とラジエータ２０の入口側を接続する第２の回路２２と、第１の回路２１と第２の回路２２を接続するバイパス回路２３を有している。

第１の回路２１には、冷却水を循環させるポンプ３０が設けられている。また、第１の回路２１とバイパス回路２３の接続部には、ラジエータ２０及び燃料電池１０を通る循環と、燃料電池１０のみを通りラジエータ２０を迂回する循環を切り替える三方弁３１が設けられている。

第２の回路２２には、例えば燃料電池１０の出口側の冷却水の温度を検出する第１の温度センサ３２が設けられている。

空調用回路１２は、ヒータコア４０とヒータ４１との間で冷却水を循環させる。ヒータコア４０は、例えば車室の空調器の空気を加熱するための熱交換器である。ヒータ４１には、例えば水加熱電気ヒータが用いられている。

空調用回路１２は、例えばヒータ４１の出口側とヒータコア４０の入口側を接続する第３の回路４２と、ヒータコア４０の出口側とヒータ４１の入口側を接続する第４の回路４３を有している。

第３の回路４２には、例えばヒータコア４０の入口（ヒータ４１の出口）側の冷却水の温度を検出する温度センサ５０が設けられている。

第４の回路４３には、冷却水を循環させるポンプ５１が設けられている。また、第４の回路４３には、ヒータコア４０の出口側の温度を検出する第２の温度センサ５２が設けられている。また、ポンプ５１とヒータ４１との間には、ヒータ４１の入口側の冷却水の温度を検出する温度センサ５３が設けられている。ヒータ４１は、例えば温度センサ５０、５３により得られた温度に基づいて、ヒータコア４０の入口側の冷却水の温度が目標温度になるように発熱量を調整する。

バイパス回路１３は、第２の回路２２の第１の温度センサ３２の下流側と第４の回路４３のポンプ５１の入口側を接続する第５の回路６０と、第４の回路４３の第２の温度センサ５２の下流側と第２の回路２２を接続する第６の回路６１を有している。

第５の回路６０と第４の回路４３の接続部には、切り替え装置としての三方弁６２が設けられている。この三方弁６２により、第５の回路６０を通じた、冷却回路１１の燃料電池１０の出口側から空調用回路１２のヒータ４１への冷却水の供給と、空調用回路１２を通じたヒータコア４０からヒータ４１への冷却水の供給を切り替えることができる。

制御装置１４は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェース等を備えるものであり、各種センサからの検出値に基づいて、燃料電池システム１やそれ以外の燃料電池車両の各種装置を制御する。例えば制御装置１４は、冷却回路１１、空調用回路１２の各種温度センサ３２、５０、５２、５３により温度を測定し、当該温度に基づいてポンプ３０、５１、ヒータ４１及び三方弁６２、３１等を制御して、冷却水の循環を行う。なお、かかる制御は、例えば制御装置１４の記憶部に記憶されたプログラムを実行することによって実施される。

次に、以上のように構成された燃料電池システム１の冷却水に関する動作を説明する。燃料電池１０の発電時には、冷却回路１１において、ポンプ３０が駆動し、ラジエータ２０で冷却された冷却水が燃料電池１０に供給され、燃料電池１０を冷却し、燃料電池１０で加熱された冷却水がラジエータ２０に戻される。なお、ラジエータ２０での冷却が不要の場合には、三方弁３１が切り替えられ、冷却水はラジエータ２０を迂回して循環する。また、車室内の空調器が作動し、暖房が行われる際には、空調用回路１２において、ヒータ４１で加熱された冷却水がヒータコア４０に供給され、空調用の空気を加熱する。

図２には、ヒータ４１に冷却水を供給するための制御のフローチャートを示す。先ず、第１の温度センサ３２により燃料電池１０の出口側の冷却水の温度Ｔ_FCが測定され、第２の温度センサ５２によりヒータコア４０の出口側の冷却水の温度Ｔ_HC
が測定される。燃料電池１０の出口側の温度Ｔ_FCがヒータコア４０の出口側の温度Ｔ_HCよりも高い（Ｔ_FC＞Ｔ_HC）場合には、図３に示すように三方弁６２のバイパス側が開かれ（第４の回路４３側が閉じる。）、冷却回路１１の燃料電池１０の出口側の冷却水がバイパス回路１３の第５の回路６０を通じて空調用回路１２に供給される。空調用回路１２に供給された冷却水は、ヒータ４１で目標温度に加熱され、ヒータコア４０に送られ、空調用の空気を加熱する。ヒータコア４０を通過した冷却水は、バイパス回路１３の第６の回路６１を通って冷却回路１１に戻される。

一方、燃料電池１０の出口側の温度Ｔ_FCがヒータコア４０の出口側の温度Ｔ_HC以下（Ｔ_FC≦Ｔ_HC）場合には、図４に示すように三方弁６２のバイパス側が閉じられ（第４の回路４３側が開く。）、冷却回路１１から空調用回路１２への冷却水の供給が停止され、空調用回路１２内で冷却水が循環される。すなわち、ヒータ４１で目標温度に加熱された冷却水がヒータコア４０に供給され、空調用の空気を加熱し、ヒータコア４０を通過した冷却水は、第４の回路４３を通ってヒータ４１に戻される。

第１の温度センサ３２及び第２の温度センサ５２による温度測定は、断続的或いは継続的に行われ、その都度燃料電池１０の出口側の温度Ｔ_FCとヒータコア４０の出口側の温度Ｔ_HCを比較し、温度の高い方の冷却水がヒータ４１に供給される。

ところで、上記ヒータコア４０の冷却水の入口目標温度Ｔ_WOは、車室内温度、外気温度、日射量などの環境条件とドライバの設定温度により決定されている。冷却水のヒータ４１の入口温度Ｔ_Pが目標温度Ｔ_WOより低い値であれば、ヒータ４１により冷却水をＴ_WOに昇温する。この時に、必要なヒータ電力量Ｑは、
Ｑ＝Ａ×（Ｔ_WO−Ｔ_P）・・・（１）
となる。なお、Ａは、ヒータコア４０を通過する冷却水流量から定まる値である。式（１）によれば、ヒータ４１の入口温度Ｔ_Pが上がれば、ヒータ電力量Ｑが小さくなる。

よって、本実施の形態によれば、燃料電池１０の出口側の温度Ｔ_FCとヒータコア４０の出口側の温度Ｔ_HCと比較し、高い方の温度の冷却水をヒータ４１に供給するので、ヒータ４１の消費電力を低減でき、燃料電池システム１の燃費を向上できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態では、切り替え装置として三方弁６２を用いていたが、これに限られない。また、冷却回路１１及び空調用回路１２の構成もこれに限られない。さらに、上記実施の形態では、熱媒体が冷却水であったが、気体などの他の媒体であってもよい。また、上記実施の形態で記載した燃料電池システム１は、燃料電池車両などの車両の他、船舶、飛行機、ロボットなどの他の移動体にも搭載できる。また、本発明にかかる燃料電池システムは、定置型電源等にも適用できる。

本発明は、空調用回路のヒータの消費電力を低減し、燃料電池システムの燃費を向上する際に有用である。

１燃料電池システム
１０燃料電池
１１冷却回路
１２空調用回路
１３バイパス回路
１４制御装置
２０ラジエータ
３２第１の温度センサ
４０ヒータコア
４１ヒータ
５２第２の温度センサ
６２三方弁

Claims

熱交換器で冷却された熱媒体を燃料電池に供給し、当該燃料電池を冷却した熱媒体を前記熱交換器に戻す冷却回路と、
ヒータで加熱された熱媒体をヒータコアに供給し、当該ヒータコアで空調用の空気を加熱した熱媒体を前記ヒータに戻す空調用回路と、
前記冷却回路の前記燃料電池の出口側の熱媒体を前記空調用回路のヒータに供給し、前記ヒータコアの出口側の前記熱媒体を前記冷却回路に戻すためのバイパス回路と、
前記冷却回路の燃料電池の出口側から前記空調用回路のヒータへの熱媒体の供給と、前記空調用回路のヒータコアからヒータへの熱媒体の供給を切り替え可能な切り替え装置と、
前記燃料電池の出口側の熱媒体の温度を測定する第１の温度センサと、
前記ヒータコアの出口側の熱媒体の温度を測定する第２の温度センサと、
前記第１の温度センサと前記第２の温度センサにより、前記燃料電池の出口側の熱媒体の温度と前記ヒータコアの出口側の熱媒体の温度を測定し、温度の高い方の熱媒体を前記ヒータに供給するように前記切り替え装置を制御する制御装置と、を有する燃料電池システム。