JP5848895B2

JP5848895B2 - 燃料電池を流れる冷却水の制御方法及び制御装置

Info

Publication number: JP5848895B2
Application number: JP2011131438A
Authority: JP
Inventors: 和明赤穂; 康志前田; 克彦平木
Original assignee: Nippon Steel Texeng Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Texeng Co Ltd
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2031-06-13
Also published as: JP2013004205A

Description

本発明は、燃料電池の負荷試験、温度上昇試験等の各種試験を行う場合に、燃料電池に供給する冷却水の制御方法及び制御装置に関する。

従来、固体高分子型の燃料電池の試験を行う場合、純水を用いた冷却水を循環させているが、燃料電池の使用によって冷却水の温度が上昇し、例えば、特許文献１に記載のように、ファンによって空冷されるラジエータを用いて、加熱された冷却水の温度を下げている。

特開２００６−２６０９６６号公報

しかしながら、特許文献１記載の技術では、ラジエータによって冷却水の温度を下げているので、極めて応答性が悪く、燃料電池の急速放電や急速充電を行った場合には、冷却水の温度制御が遅れる傾向にあり、また、冷却水を冷し過ぎた場合は加熱する手段がなく、燃料電池を商用で用いる場合には問題がないとしても、例えば、燃料電池の特性を試験する場合には適切でないという問題があった。

燃料電池の試験にあっては、負荷電流によって冷却水の温度が変わるので、１）冷却水を常温から９０℃まで安定に制御できること、２）流量制御比が２０：１であっても安定した冷却水の制御ができることが望まれているが、特許文献１記載の技術では細かい流量及び温度の制御は困難であった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、外乱があっても冷却水の温度を一定に制御可能な燃料電池を流れる冷却水の制御方法及び制御装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る燃料電池を流れる冷却水の制御方法は、１）燃料電池の排水口から排出される冷却水を、降温用熱交換器で温度を下げ、加熱ヒータを用いて所定温度に保持してタンク内に溜め、２）前記タンク内の所定温度に保持された前記冷却水をポンプによって汲み上げ、３）前記ポンプで汲み上げた前記冷却水を３方弁を介して、前記燃料電池の排水側流路と前記燃料電池の給水側流路に分流し、４）前記燃料電池の給水側流路に分流した前記冷却水を２方弁を介して前記燃料電池に供給し、５）前記燃料電池を通過する流量を粗調整を行う前記３方弁と精密調整を行う前記２方弁によって制御して、前記燃料電池の給水口と前記排水口との前記冷却水の温度差を一定に保持する。

なお、第１の発明に係る燃料電池を流れる冷却水の制御方法において、前記ポンプは回転数を制御可能なモータによって回転駆動されているのが好ましい。

第２の発明に係る燃料電池を流れる冷却水の制御装置は、１）燃料電池の排水口から排出される冷却水を冷却する降温用熱交換器と、２）前記降温用熱交換器によって冷却された前記冷却水をタンクに溜めて、該タンク内に溜まった前記冷却水を加熱する加熱ヒータと、３）前記タンク内の冷却水を汲み上げるポンプと、４）前記ポンプで汲み上げられた冷却水を前記燃料電池の排水側流路と前記燃料電池の給水側流路に分流する流量調整可能な３方弁と、５）前記３方弁で前記燃料電池の給水側流路に分流された冷却水を更に流量調整する２方弁と、６）前記燃料電池の給水口と前記排水口を流れる冷却水の温度をそれぞれ測定する第１、第２の温度センサと、７）前記第１、第２の温度センサで測定した前記給水口と前記排水口を流れる冷却水の温度差が一定値になるように、流量の粗調整を行う前記３方弁の開度、及び精密調整を行う前記２方弁の開度を制御する制御部とを有する。

本発明に係る燃料電池を流れる冷却水の制御方法及び制御装置においては、降温用熱交換器とタンク内の加熱ヒータによって冷却水を温度制御しているので、燃料電池から排出された加熱冷却水の温度を下げて、必要な温度にすることができる。更に、一旦降温用熱交換器で冷却した冷却水を加熱ヒータが加熱するようにしているので、常温から９０℃までの冷却水を容易に作成できる。

また、タンクからポンプで汲み上げた冷却水を、３方弁によってその一部を戻り側（排水側流路）に返すと共に、燃料電池に供給される残りの冷却水を２方弁を用いて流量制御しているので、燃料電池に供給される冷却水を１〜１／２０の広範囲に渡って流量制御が可能となる。
従って、燃料電池の冷却水の排水口の温度が変動した場合は、直ちに、冷却水の流量を変えることで排水口側の冷却水の温度を一定にできる。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池を流れる冷却水の制御装置の説明図である。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る燃料電池を流れる冷却水の制御装置１０は、燃料電池１１の給水口１２及び排水口１３に接続されて、排水口１３に接続される降温用熱交換器１４と、内部に加熱ヒータ１５が設けられているタンク１６とを有している。

タンク１６にはインバータによって周波数制御されて回転数が変わるモータ１７によって回転駆動されるポンプ１８が接続され、ポンプ１８の出口には第１の流量制御部１９、３方弁２０、２方弁２１、及び第２の流量制御部２３が接続されて、燃料電池１１の給水口１２に制御された冷却水を供給するようになっている。

また、燃料電池１１の給水口１２及び排水口１３、降温用熱交換器１４の出口、並びにタンク１６内の冷却水の温度を測定する第１〜第４の温度センサ２５〜２８が設けられ、制御部３０ａに測定した温度データを送っている。この制御部３０ａは、１）第１、第２の温度センサ２５、２６の温度データから、指示によって、第１、第２の温度センサ２５、２６の差分を一定にするように、３方弁２０及び２方弁２１を制御すること、２）第１の温度センサ２５によって燃料電池１１の給水口１２の温度を検知して、この温度を一定にするように、加熱ヒータ１５を制御することを行っている。

降温用熱交換器１４の一次側には第１の弁２９を介して一次冷却水が供給され、第２の弁３０を介して外部に一次冷却水が排出されている。なお、３２は圧力計を示す。

燃料電池１１の給水口１２の温度がＴ１℃（例えば、９５℃）、燃料電池１１の排水口１３の温度がＴ２℃（＞Ｔ１℃、例えば、９８℃）として、燃料電池１１の給水口１２と排水口１３の冷却水の温度差を一定にする場合について説明する。なお、タンク１６から出た冷却水の温度は、燃料電池１１の給水口１２に届くまでに、Ｔｄ℃（例えば３℃）の温度降下があるものとする。

排水口１３から放出された高温の冷却水（流量Ｑ１）を、降温用熱交換器１４によって温度をＴｃ℃に下げる。この温度Ｔｃは、Ｔ１に等しいか又はＴ１より低い温度（例えば９５℃）とする。そして、降温用熱交換器１４によって冷却された冷却水をタンク１６に入れて加熱ヒータ１５によって加熱する。加熱される冷却水の温度（第４の温度センサ２８で計測）はＴ１＋Ｔｄ（例えば９８℃）にする。
これによって、ポンプ１８によって汲み出される冷却水の温度は、Ｔ１＋Ｔｄとなる。

ここで、ホンプ１８によって汲み出される冷却水の量Ｑ２は、Ｑ１＋Ｑｂとなる。ここで、Ｑｂは３方弁２０を介して、燃料電池１１の排水口１３側（排水側流路）にバイパスする冷却水の量である。ポンプ１８の汲み出し量は、第１の流量調整部１９で測定し、その流量が常時一定になるようにモータ１７の電源周波数を制御する。この量Ｑ２は例えば、ポンプ１８の定格吐出量の８０〜９５％程度とするのがよく、この値は第１の流量制御部１９で設定可能である。

次に、３方弁２０によって、給水口１２を通過する冷却水の流量がＱ１になるように、分岐するが、更に３方弁２０の下流側に２方弁２１を設け、第２の流量制御部２３によって２方弁２１を通過する冷却水の量が正確にＱ１になるようにする。この制御は、第２の流量制御部２３で測定された冷却水の量がＱ１より多い場合は、２方弁２１を適正量絞り、第２の流量制御部２３で測定された冷却水の量がＱ１より少ない場合は、２方弁２１を適正量開く制御を行うことによって達成している。これによって、３方弁２０をバイパスする冷却水の量が制御されて、結果として、正確に一定量の冷却水を燃料電池１１に供給することになる。

燃料電池１１の給水口１２に設けられている第１の温度センサ２５によって冷却水の温度を測定し、この温度Ｔ１が常時一定になるように、加熱ヒータ１５の温度を制御している。これによって、タンク１６内の冷却水の温度はＴ１＋Ｔｄとなる。

次に、燃料電池１１の負荷が変動して、排水口１３から排出される冷却水の温度に変化があった場合（即ち、Δｔの変動があった場合）、燃料電池１１の冷却水の量がＱ１で一定であるとすると、燃料電池１１からの発熱量にΔｔ×Ｑ１の変化があったことになる。ここで、冷却水の通過量を増減（増減量をΔｑとする）すると、（Ｑ１＋Δｑ）×Ｔ２＝（Ｔ２＋Δｔ）×Ｑ１とすることが可能となる。結局、Δｑ＝ Δｔ・Ｑ１／Ｔ２になるように冷却水の量を増減すればよいことになる。但し、Ｔ２は最小に設定した値である。

今、燃料電池１１の給水口１２の温度は一定としているので、結局はＴ２′−Ｔ１（＝Δｔ）を見て、Ｑ１の量を増減する。ここで、Ｔ２′は実際の測定値である。Ｑ１の量を増減するには、第２の流量制御部２３の設定値を変えることよって行う。なお、３方弁２０の開閉を全く行わず、２方弁２１のみで冷却水の量は制御できないので、第２の流量制御部２３がまず３方弁２０の粗調整を行い、次に２方弁２１の精密制御を行うようにする。

従って、本発明の一実施の形態に係る燃料電池を流れる冷却水の制御方法は、即ち、この燃料電池の制御装置１０を使用する場合、燃料電池１１の排水口１３から排出される冷却水を、降温用熱交換器１４で温度を下げ、加熱ヒータ１５を用いて所定温度に保持してタンク１６内に溜め、タンク１６内の所定温度に保持された冷却水をポンプ１８によって汲み上げ、３方弁２０を介して燃料電池１１の排水側流路と燃料電池１１の給水側流路に分流し、燃料電池１１の給水側流路に分流した冷却水を２方弁２１を介して更に精密に流量調整し、かつ、燃料電池１１を通過する冷却水の流量を３方弁２０と２方弁２１によって制御して、燃料電池１１の給水口１２と排水口１３との冷却水の温度差を一定に保持することができる。

また、以上の制御方法に加えて、第２の流量制御部２３を通過する冷却水の量を測定し、３方弁２０及び２方弁２１を制御して、燃料電池１１を通過する冷却水の量（即ち、給水口１２の冷却水の流量）を一定に制御できる。
本発明は前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、冷却水の通路を変更できる。

１０：燃料電池を流れる冷却水の制御装置、１１：燃料電池、１２：給水口、１３：排水口、１４：降温用熱交換器、１５：加熱ヒータ、１６：タンク、１７：モータ、１８：ポンプ、１９：第１の流量制御部、２０：３方弁、２１：２方弁、２３：第２の流量制御部、２５：第１の温度センサ、２６：第２の温度センサ、２７：第３の温度センサ、２８：第４の温度センサ、２９：第１の弁、３０：第２の弁、３０ａ：制御部、３２：圧力計

Claims

１）燃料電池の排水口から排出される冷却水を、降温用熱交換器で温度を下げ、加熱ヒータを用いて所定温度に保持してタンク内に溜め、２）前記タンク内の所定温度に保持された前記冷却水をポンプによって汲み上げ、３）前記ポンプで汲み上げた前記冷却水を３方弁を介して、前記燃料電池の排水側流路と前記燃料電池の給水側流路に分流し、４）前記燃料電池の給水側流路に分流した前記冷却水を２方弁を介して前記燃料電池に供給し、５）前記燃料電池を通過する流量を粗調整を行う前記３方弁と精密調整を行う前記２方弁によって制御して、前記燃料電池の給水口と前記排水口との前記冷却水の温度差を一定に保持することを特徴とする燃料電池を流れる冷却水の制御方法。
請求項１記載の燃料電池を流れる冷却水の制御方法において、前記ポンプは回転数を制御可能なモータによって回転駆動されていることを特徴とする燃料電池を流れる冷却水の制御方法。
１）燃料電池の排水口から排出される冷却水を冷却する降温用熱交換器と、２）前記降温用熱交換器によって冷却された前記冷却水をタンクに溜めて、該タンク内に溜まった前記冷却水を加熱する加熱ヒータと、３）前記タンク内の冷却水を汲み上げるポンプと、４）前記ポンプで汲み上げられた冷却水を前記燃料電池の排水側流路と前記燃料電池の給水側流路に分流する流量調整可能な３方弁と、５）前記３方弁で前記燃料電池の給水側流路に分流された冷却水を更に流量調整する２方弁と、６）前記燃料電池の給水口と前記排水口を流れる冷却水の温度をそれぞれ測定する第１、第２の温度センサと、７）前記第１、第２の温度センサで測定した前記給水口と前記排水口を流れる冷却水の温度差が一定値になるように、流量の粗調整を行う前記３方弁の開度、及び精密調整を行う前記２方弁の開度を制御する制御部とを有することを特徴とする燃料電池を流れる冷却水の制御装置。