JP6160983B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池を備えたシステムとして、ラジエータが設けられた循環路が燃料電池に接続され、冷却水を循環路で循環させることで、ラジエータで冷却水を冷却させて燃料電池へ送り込むものが知られている（特許文献１参照）。
特開２０１０−１８６５９９号公報
ところで、外気温が低いためにラジエータ内の冷却水の温度が氷点下である場合に冷却水を循環させると、ラジエータ内の冷却水が燃料電池内へ流入し、燃料電池内の冷却水が凍結し、発電不良を生じさせてしまうおそれがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、低温の冷却水が燃料電池に流入し、燃料電池内の水が凍結することを抑制して良好に運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
内部に冷却水が流される燃料電池と、
該燃料電池の冷却水入口及び冷却水出口に接続されて冷却水が循環される循環路と、
該循環路に設けられて前記燃料電池内へ前記冷却水入口から前記冷却水を送り込むポンプと、
前記循環路に設けられて前記冷却水の放熱を行うラジエータと、
前記循環路に対して前記ラジエータに並列に接続されたバイパス路と、
前記循環路に設けられて前記ラジエータ及び前記バイパス路へ送り込まれる前記冷却水の流量の割合を調整する流量調整弁と、
前記ポンプ及び前記流量調整弁を制御する制御部とを備え、
前記流量調整弁は、前記ラジエータへの冷却水の流量の割合を所定値以下に調整可能とされ、
前記制御部は、前記ラジエータへの前記冷却水の流量の割合を前記所定値以上として前記燃料電池へ前記冷却水を供給したときに前記燃料電池内の前記冷却水の温度が所定温度以上となると判定されると、前記ラジエータへの前記冷却水の流量の割合を前記所定値以上として前記燃料電池へ前記冷却水が供給されるよう前記流量調整弁及び前記ポンプを制御する所定割合供給運転を行い、前記冷却水の温度が前記所定温度未満となると判定されると、前記燃料電池へ前記冷却水を供給しない燃料電池システム。
この構成の燃料電池システムによれば、制御部による所定割合供給運転が行われることで、例えば、ある程度の多い量である所定値以上の割合の流量の冷却水をラジエータから供給しても燃料電池内の冷却水の温度が所定温度以上となるような条件でのみ燃料電池への冷却水の供給が許可される。したがって、燃料電池が十分に昇温する前にラジエータで冷却された冷却水を燃料電池へ多量に流してしまうことを抑制することができる。これにより、低温の冷却水が燃料電池に流入し、燃料電池内の水が凍結することを抑制して良好に運転することができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記バイパス路に、前記冷却水のイオンを除去するイオン交換器を設けても良い。
この構成の燃料電池システムによれば、冷却水内のイオンを除去することができ、冷却水の導電率を一定値以下に維持して絶縁性を常時保つことができる。
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記冷却水の温度変化にかかわらず、前記所定割合供給運転を所定時間継続させても良い。
この構成の燃料電池システムによれば、所定割合供給運転を所定時間継続させることで、バイパス路から合流した後の燃料電池へ供給される冷却水の温度を安定して推定することができ、その後の制御を正確に行うことができる。
本発明の燃料電池システムによれば、低温の冷却水が燃料電池に流入し、燃料電池内の水が凍結することを抑制して良好に運転することが可能な燃料電池システムを提供できる。
本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 制御部によるイオン除去運転開始制御を説明するフローチャートである。 制御部によるイオン除去運転開始制御の他の例を説明するフローチャートである。
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（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への適用も可能である。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１１を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子電解質型の燃料電池であり、多数のセルを積層したスタック構造となっている。燃料電池１１のセルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。燃料電池１１は、一方のセパレータの燃料ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に空気からなる酸化ガスが供給され、このガス供給により電力を発生する。この燃料電池１１は、その内部にセパレータによって形成された冷却水流路を有している。燃料電池１１は、冷却水入口１１ａと冷却水出口１１ｂとを有しており、冷却水入口１１ａから冷却水流路へ冷却水が送り込まれ、冷却水流路を通った冷却水が冷却水出口１１ｂから送り出される。
燃料電池１１には、循環路２１が接続されている。循環路２１は、その一端が冷却水入口１１ａに接続され、他端が冷却水出口１１ｂに接続されている。
循環路２１には、ポンプ２２及びラジエータ２３が設けられている。ポンプ２２は、燃料電池１１内の冷却水流路へ冷却水を送り込む。ラジエータ２３は、冷却水と外気との間で熱交換を行う。冷却水は、ラジエータ２３を通過することで冷却される。
また、燃料電池システム１は、バイパス路２５を備えている。バイパス路２５は、循環路２１に対してラジエータ２３と並列に接続されている。これにより、燃料電池１１の冷却水出口１１ｂから送り出される冷却水がバイパス路２５へ分岐可能とされ、バイパス路２５へ分岐された冷却水がバイパス路２５から循環路２１へ合流される。また、循環路２１には流量調整弁２６が設けられている。流量調整弁２６は、循環路２１におけるバイパス路２５との分岐箇所に設けられている。この流量調整弁２６は、循環路２１におけるラジエータ２３へ向かう冷却水の流量及びバイパス路２５へ向かう冷却水の流量を調整可能な三方弁である。これにより、ラジエータ２３側及びバイパス路２５へ流される冷却水の流量の割合が流量調整弁２６によって調整可能とされている。この流量調整弁２６は、ラジエータ２３への冷却水の流量の割合を、例えば、５０％の流量である所定値以下に調整可能とされている。
また、バイパス路２５には、イオン交換器３１が設けられている。このイオン交換器３１は、バイパス路２５を流れる冷却水中のイオンを吸着する機能を有している。イオン交換器３１は、例えば、カチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂とを有しているものである。
燃料電池システム１は、制御部４１を備えている。制御部４１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータからなる。この制御部４１は、ＣＰＵが制御プラグラムに従ってポンプ２２及び流量調整弁２６を制御する。この制御部４１には、燃料電池１１内の冷却水の温度であるＦＣ水温を検出するＦＣ水温センサ（図示略）、外気温を検出する外気温センサ（図示略）及びラジエータ２３内の冷却水の温度を検出するラジエータ水温センサ（図示略）が接続されており、これらのセンサから検出信号が制御部４１へ送信される。
上記構成の燃料電池システム１では、制御部４１によってポンプ２２が駆動されると、冷却水が循環路２１を循環する。これにより、燃料電池１１の冷却水出口１１ｂから送り出される冷却水がラジエータ２３へ送り込まれて外気との間で熱交換され、その後、燃料電池１１の冷却水入口１１ａから燃料電池１１内へ供給される。これにより、燃料電池１１が冷却水によって冷却される。
ここで、燃料電池１１内を流れる冷却水は、複数のセルを通るため、導電率が抑えられて絶縁性が常時保たれていなければならない。一方、燃料電池システム１を搭載した車両が長期間放置されて冷却水が流されないと、冷却水の経路から溶け出す微少イオンが累積することにより、冷却水のイオン濃度が上昇し、導電率が上昇することがある。また、修理等において冷却系部品を組換えると、組換えた部品からの溶出イオンによって冷却水のイオン濃度が上昇し、導電率が上昇することもある。
このため、燃料電池システム１では、制御部４１によって流量調整弁２６が制御されることで、燃料電池１１の冷却水出口１１ｂから送り出される冷却水がバイパス路２５にも流される。これにより、冷却水は、バイパス路２５のイオン交換器３１を通されることで、含有していたイオンがイオン交換器３１で除去され、導電率が一定値以下に維持される。
ところで、ラジエータ２３内の冷却水の温度が氷点下である場合、ポンプ２２を駆動させて冷却水を循環させると、ラジエータ２３内の冷却水が燃料電池１１内へ流入し、燃料電池１１内の冷却水が凍結し、発電不良を生じさせてしまうおそれがある。
このため、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池１１内の冷却水の凍結を抑制するために、制御部４１が以下の所定割合供給運転を行う。
制御部４１は、ラジエータ２３への冷却水の流量の割合を所定値以上として燃料電池１１へ冷却水を供給したときに、燃料電池１１内の冷却水の温度であるＦＣ水温が所定温度以上となるか否かを判定する（ステップＳ０１）。この判定におけるラジエータ２３へ送り込む冷却水の流量の割合の所定値とは、例えば５０％であり、また、ＦＣ水温の所定温度とは０℃である。この判定は、外気温センサ、ラジエータ水温センサ及びＦＣ水温センサからの検知信号に基づいて行われる。
上記の判定によって、制御部４１は、ラジエータ２３への冷却水の流量の割合を所定値以上として燃料電池１１へ冷却水を供給したときに、燃料電池１１内の冷却水の温度が所定温度以上となると判定すると、流量調整弁２６及びポンプ２２を制御し、ラジエータ２３への冷却水の流量の割合を所定値以上として冷却水を循環させ、燃料電池１１へ冷却水を供給する。一方、燃料電池１１内の冷却水の温度が前記所定温度未満となると判定すると、燃料電池１１へは冷却水を供給しない。
上記の所定割合供給運転を行うことで、燃料電池１１は、循環される冷却水が流れ込んだとしても、凍結することが回避される。この所定割合供給運転は、所定時間継続して行われる。
また、上記実施形態に係る燃料電池システム１は、車両が長期間放置されて冷却水が流されなかった場合などに、バイパス路２５へ冷却水をバイパスさせてイオンを除去するイオン除去運転を行う。このとき、制御部４１が以下のようなイオン除去運転開始制御を行う。
図２は、制御部によるイオン除去運転開始制御を説明するフローチャートである。
まず、制御部４１は、外気温センサからの検知信号に基づいて、イオン除去運転開始ＦＣ水温を決定する（ステップＳ０１）。このイオン除去運転開始ＦＣ水温は、予めＲＯＭに記憶されたマップ値から割り出される。マップ値は、バイパス路２５から合流した後の燃料電池１１へ供給される冷却水の水温から推定されて決定される。
次に、制御部４１は、決定したイオン除去運転開始水温とＦＣ水温センサからの検知信号とから、イオン除去運転開始水温が燃料電池１１内の冷却水の温度であるＦＣ水温よりも高いか否かを判定する（ステップＳ０２）。
この判定で、イオン除去運転開始水温がＦＣ水温より高い場合（ステップＳ０２：Ｙｅｓ）、制御部４１は、ポンプ２２を駆動させて冷却水を循環させ、燃料電池１１へ冷却水を送り込む（ステップＳ０３）。このとき、冷却水は、バイパス路２５のイオン交換器３１を通ることで、イオンが除去される。一方、イオン除去運転開始水温がＦＣ水温以下の場合（ステップＳ０２：Ｎｏ）は、ステップＳ０１の処理が繰り返し行われる。この間、制御部４１はポンプ２２を駆動させず、冷却水を循環させない。
なお、上記制御において、車両が長期間放置されていることから、ラジエータ２３の冷却水の水温を外気温同等と考えた場合、燃料電池１１に氷点下（０℃以下）の冷却水を入れないためには、バイパス路２５から合流した後の燃料電池１１へ供給される冷却水の水温が０℃以上になることが条件となる。このため、制御部４１は、外気温が低いためにラジエータ２３の冷却水の水温が極度に低い場合、ＦＣ水温が十分高くなって、バイパス路２５から合流した後の燃料電池１１に供給される冷却水の水温が０℃以上になることが担保できるまで、イオン除去運転を許可しない。
また、バイパス路２５から合流した後の冷却水の水温の推定を容易にするため、流量調整弁２６によるバイパス路２５側への開度を一定としても良い。特にバイパス路２５から合流した後の冷却水の水温の低下を避けるため、バイパス路２５側への開度を５０％程度とすることがより好ましい。
なお、上記のイオン除去運転開始制御では、制御部４１が、外気温センサからの検知信号に基づいて、イオン除去運転開始ＦＣ水温を決定したが、図３に示すように、制御部４１は、ラジエータ水温センサからの検知信号に基づいて、イオン除去運転開始ＦＣ水温を決定してもよい（ステップＳ１１）。
そして、制御部４１は、決定したイオン除去運転開始水温とＦＣ水温センサからの検知信号とから、イオン除去運転開始水温がＦＣ水温よりも高いか否かを判定し（ステップＳ１２）。この判定で、イオン除去運転開始水温がＦＣ水温より高い場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、制御部４１は、ポンプ２２を駆動させて冷却水を循環させ、燃料電池１１へ冷却水を送り込む（ステップＳ１３）。一方、この判定で、イオン除去運転開始水温がＦＣ水温以下の場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）は、ステップＳ１１の処理が繰り返し行われる。この間、制御部４１はポンプ２２を駆動させず、冷却水を循環させない。
以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、制御部４１による所定割合供給制御が行われることで、例えば、ある程度の多い量（例えば、５０％）である所定値以上の割合の流量の冷却水をラジエータ２３から供給しても燃料電池１１内の冷却水の温度が所定温度（０℃）以上となるような条件でのみ燃料電池１１への冷却水の供給が許可される。したがって、燃料電池１１が十分に昇温する前にラジエータ２３で冷却された冷却水を燃料電池１１へ多量に流してしまうことを抑制することができる。これにより、低温の冷却水が燃料電池に流入し、燃料電池内の水が凍結することを抑制して良好に運転することができる。
また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、バイパス路２５に冷却水のイオンを除去するイオン交換器３１を設けている。したがって、冷却水内のイオンを除去することができ、冷却水の導電率を一定値以下に維持して絶縁性を常時保つことができる。
また、所定割合供給運転を所定時間継続させるので、バイパス路２５から合流した後の燃料電池１１へ供給される冷却水の温度を安定して推定することができ、その後の制御を正確に行うことができる。
１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１１ａ 冷却水入口
１１ｂ 冷却水出口
２１ 循環路
２２ ポンプ
２３ ラジエータ
２５ バイパス路
２６ 流量調整弁
３１ イオン交換器
４１ 制御部

Claims (3)

  1. 内部に冷却水が流される燃料電池と、
    該燃料電池の冷却水入口及び冷却水出口に接続されて冷却水が循環される循環路と、
    該循環路に設けられて前記燃料電池内へ前記冷却水入口から前記冷却水を送り込むポンプと、
    前記循環路に設けられて前記冷却水の放熱を行うラジエータと、
    前記循環路に対して前記ラジエータに並列に接続されたバイパス路と、
    前記循環路に設けられて前記ラジエータ及び前記バイパス路へ送り込まれる前記冷却水の流量の割合を調整する流量調整弁と、
    前記ポンプ及び前記流量調整弁を制御する制御部とを備え、
    前記流量調整弁は、前記ラジエータへの冷却水の流量の割合を所定値以下に調整可能とされ、
    前記制御部は、前記ラジエータへの前記冷却水の流量の割合を前記所定値以上として前記燃料電池へ前記冷却水を供給したときに前記燃料電池内の前記冷却水の温度が所定温度以上となると判定されると、前記ラジエータへの前記冷却水の流量の割合を前記所定値以上として前記燃料電池へ前記冷却水が供給されるよう前記流量調整弁及び前記ポンプを制御する所定割合供給運転を行い、前記冷却水の温度が前記所定温度未満となると判定されると、前記燃料電池へ前記冷却水を供給しない燃料電池システム。
  2. 前記バイパス路に、前記冷却水のイオンを除去するイオン交換器を設けた請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御部は、前記冷却水の温度変化にかかわらず、前記所定割合供給運転を所定時間継続させる請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
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