JP6593057B2 - 燃料電池、制御方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部と、発電部を冷却水の循環により冷却する冷却路とを備える燃料電池、燃料電池の熱交換を制御する制御方法、及びコンピュータに熱交換の制御処理を実行させるためのコンピュータプログラムに関する。
負極に水素を送って起電力を得る電池として、燃料電池、ニッケル・水素電池等が挙げられる。
燃料電池は発電効率が高く、クリーンな発電装置であり、負荷の大小に影響されず、コジェネレーションシステムを構築できるため、パーソナルコンピュータ，携帯電話機等のデジタル家電製品、電気自動車、鉄道、携帯電話の基地局、発電所等の種々の用途が検討されている。
燃料電池は、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したスタックを備える。スタックに水素を供給し、スタックの負極に水素を含む燃料ガスが接触し、正極に空気等の酸素を含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が生じて、起電力が発生する。
発電時にスタックにおいて熱が発生するため、燃料電池は一般的にスタックを冷却する冷却路を備える。
例えば特許文献１に開示されているように、冷却路の冷却水は水ポンプによりスタックの冷却水連通路に導入され、冷却水連通路を通流してスタックを冷却し、加熱された冷却水はスタックから排出される。この熱を有する冷却水はラジエータ及びラジエータファンと熱交換され、冷却された冷却水は水ポンプによりスタックに戻されて循環される。
特許文献１の燃料電池においては、燃料電池の筐体内の温度が所定値以上である場合、ラジエータファンの回転数を上げて筐体内に外気を導入して換気するとともに冷却することにより、筐体内の温度を下げるように構成されている。また、冷却水の温度が所定値未満である場合、冷却水がラジエータへの流路をバイパスすべく三方切換弁を切り換えるように構成されている。
特開２００３−１６８４６１号公報
特許文献１の燃料電池の場合、冷却路が１つの経路であるため、同じ冷媒を使用する必要があり、スタック（発熱部）側とラジエータ（放熱部）側とで異なる冷媒を使用することができず、スタックが純水にのみ対応している場合、純水しか使用できないので、ラジエータ等の経路の部品の材料として、金属イオンの溶出が少ないＳＵＳ等しか使用できないという問題があった。発電を継続するうちに冷却路内で金属イオンが発生した場合、金属イオンにより冷却水の導電率が上がり、スタックの発電効率が低下し、寿命が短くなるという問題がある。金属イオン等の不純物は、主にラジエータから発生する。このような金属イオン等を除去するためには、上述したように、冷却路の部材をＳＵＳ等から構成する、又は定期的に冷媒若しくはイオン交換樹脂を交換する等のメンテナンスが必要であっ
た。
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、冷却路の汚染量が少なくなり、熱媒体の導電率が上がって発電部の発電効率が低下することが抑制された燃料電池、該燃料電池の熱交換を制御する制御方法、及びコンピュータに熱交換の制御処理を実行させるためのコンピュータプログラムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１熱媒体の循環により冷却する発電部冷却路と、第２熱媒体がラジエータを通流して循環するラジエータ通流路と、前記発電部冷却路に設けられた第１循環ポンプと、前記ラジエータ通流路に設けられた第２循環ポンプと、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を検出する第２温度検出器とを備え、前記第２温度検出器により検出される前記第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させるように構成されていることを特徴とする。
本発明に係る制御方法は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１循環ポンプにより第１熱媒体を循環させて冷却する発電部冷却路と、前記発電部により生じた熱をラジエータに伝導する第２熱媒体を第２循環ポンプにより循環させるラジエータ通流路と、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備える燃料電池の前記熱交換を制御する制御方法であって、前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を取得し、前記流出側における第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させることを特徴とする。
本発明に係るコンピュータプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１循環ポンプにより第１熱媒体を循環させて冷却する発電部冷却路と、前記発電部により生じた熱をラジエータに伝導する第２熱媒体を第２循環ポンプにより循環させるラジエータ通流路と、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備える燃料電池の前記熱交換を制御するコンピュータに、前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を取得し、前記流出側における第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させる処理を実行させることを特徴とする。
本発明によれば、第１熱媒体が循環する発電部冷却路と、第２熱媒体が循環するラジエータ通流路と、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備えるので、冷却路が発電部側とラジエータ側とで分かれており、発電部冷却路及びラジエータ通流路夫々の構成がシンプルであり、長さが短くなる。従って、配管等の汚染源の面積が小さくなり、第１熱媒体及び第２熱媒体の汚染量が少なくなり、金属イオン等により熱媒体の導電率が上がって発電部の発電効率の低下が抑制され、発電部の寿命が短くなることが抑制されている。
実施の形態１に係る燃料電池を示すブロック図である。 ＣＰＵによるスタック冷却路の制御処理を示すフローチャートである。 ＣＰＵによるラジエータ通流路の制御処理を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る燃料電池を示すブロック図である。
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る燃料電池３００を示すブロック図である。
燃料電池３００は例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell）等の燃料電池である。
燃料電池３００は、電池本体１００と水素供給部２００とを備える。
電池本体１００は、スタック１、水素通流路２（水素供給路２ａ及び水素循環路２ｂ）、空気流路３、スタック冷却路４、ラジエータ通流路５、ボンベ加熱路６、第１熱交換部７、第２熱交換部８、制御部９、水素検知センサ１０、気液分離器２７、水素循環ポンプ２６、エアポンプ３０、冷却ポンプ４０、放熱ポンプ５０、ラジエータ５１、ファン５２、及び加熱ポンプ６０を備える。
水素供給路２００は、複数のＭＨ（Metal Hydride）ボンベ２０と、開閉弁２１と、レギュレータ２２とを備える。ＭＨボンベ２０は水素吸蔵合金を充填してなる。開閉弁２１には全てのＭＨボンベ２０が接続されており、開閉弁２１はレギュレータ２２に接続されている。レギュレータ２２により水素の供給圧力が調整される。ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応である。
スタック１は、固体高分子電解質膜を負極と陽極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
負極に、水素供給部２００から流入した水素を含む燃料ガスが接触し、正極に空気等の酸素を含む酸化ガスが空気流路３から流入して接触することにより両電極で電気化学反応が生じ、起電力が発生する。この電気化学反応においては、負極側から固体高分子電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との反応により水が生じる。
水素供給路２ａの一端部はレギュレータ２２に、他端部は水素循環路２ｂのスタック１のアノード寄りの部分に接続されている。水素供給路２ａには、水素供給部２００側から順に、開閉弁２３、開閉弁２４、逆止弁２５が設けられている。
水素循環路２ｂには水素循環ポンプ２６が設けられている。開閉弁２３、開閉弁２４を開いたとき、水素はレギュレータ２２から開閉弁２３、開閉弁２４、及び逆止弁２５を通って水素供給路２ａを通流し、水素循環ポンプ２６により、水素循環路２ｂを通流して、スタック１のアノード側部分へ送出され、該部分内の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流し、スタック１から排出された水素は水素循環路２ｂを通流し、気液分離器２７へ送られる。気液分離器２７において、水素及び不純物を含むガスと水とに分離され、分離された水素は気液分離器２７から水素循環ポンプ２６へ送られて、循環する。気液分離器２７で分離された水は、排水弁（不図示）を開いて外部へ排出され、不純物を含むガスは適宜のタイミングで、排水弁（不図示）を開いて外部へ排出される。
空気流路３にはエアポンプ３０が設けられている。そして、空気流路３のスタック１への流入側部分には開閉弁３１が、スタック１からの流出側部分には開閉弁３２が設けられている。開閉弁３１、開閉弁３２を開いたとき、エアポンプ３０から送出された空気は空気流路３を通流して開閉弁３１を通り、スタック１のカソード側部分へ導入され、該部分の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流した空気は、スタック１から排出され、開閉弁３２を通って外部へ排出される。
スタック冷却路４には、冷却ポンプ４０、イオン交換樹脂４３、及び導電率計４４が設けられている。冷却ポンプ４０から送出され、スタック冷却路４を通流する冷却水はイオン交換樹脂４３内を通流し、導電率計４４により導電率を測定された後、スタック１へ導入され、スタック１内の通流路を通流した後、排出されて、第１熱交換部７及び第２熱交換部８を通流し、冷却ポンプ４０へ戻るように構成されている。スタック冷却路４の、冷却水のスタック１からの流出側、及びスタック１への流入側には、温度センサ４１，４２
が夫々設けられている。温度センサ４１，４２は夫々温度Ｔ1 ℃、Ｔ2 ℃を検出する。イオン交換樹脂４３はスタック冷却路４を通流する冷却水に含まれるイオンを吸着する。イオン量が多くなった場合、冷却水の導電率が高くなり、スタック１の発電効率が低下するので、イオン交換樹脂４３により金属イオン等を吸着する必要がある。
冷媒として純水のみ用いることができるスタック１を使用する場合は、スタック冷却路４の熱媒体（第１熱媒体）として純水（冷却水）を使用する。スタック１の冷媒として例えばエチングリコールを主成分とする不凍液を用いることができる場合、第１熱媒体は該不凍液となる。
第１熱交換部７は熱交換器７０を備え、第２熱交換部８は、熱交換器８０及びヒータ８１を備える。
ラジエータ通流路５には、放熱ポンプ５０が設けられている。放熱ポンプ５０から送出された放熱液は、ラジエータ５１を通流し、さらに第１熱交換部７の熱交換器７０を通流した後、放熱ポンプ５０へ戻るように構成されている。ここで、放熱液（第２熱媒体）として、例えばエチングリコールを主成分とする不凍液が挙げられる。放熱液として水を用いることにしてもよい。不凍液は防錆剤等の薬剤を種々含むため、ラジエータ通流路５のラジエータ５１等の部品が錆びにくい。また、アルミニウム製のラジエータ５１を用いた場合においても穴が開き難い。そして、外気温が氷点下であってもラジエータ通流路５内で凍結が生じない。
ラジエータ５１に近接してファン５２が設けられている。
ボンベ加熱路６には、加熱ポンプ６０が設けられている。加熱ポンプ６０から送出された加熱液は、水素供給部２００内の通流路を通流して各ＭＨボンベ２０を加熱した後、水素供給部２００から排出され、第２熱交換部８を通流して、加熱ポンプ６０へ戻るように構成されている。加熱により、ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金から水素が放出される。加熱液として、前記不凍液が挙げられる。
スタック冷却路４、ラジエータ通流路５、ボンベ加熱路６、第１熱交換部７、及び第２熱交換部８は断熱材により覆われている。
従って、外部との熱移動を制限でき、熱量を制御しやすい。
制御部９は、制御部９の各構成部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）９０を備え、ＣＰＵ９０には、バスを介して、ＲＯＭ９１、及びＲＡＭ９２が接続されている。
ＲＯＭ９１は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）等の不揮発性メモリであり、燃料電池３００の運転プログラム９１ａと、本実施の形態に係る熱交換制御プログラム９１ｂを記憶している。
また、熱交換プログラム９１ｂは、コンピュータ読み取り可能に記録された可搬式メディアであるＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）−ＲＯＭ、ＢＤ（Blu-ray（登録商標） Disc）、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブ等の記録媒体に記録されており、ＣＰＵ９１が記録媒体から、熱交換プログラム９１ｂを読み出し、ＲＯＭ９１に記憶させてもよい。
さらに、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本発明に係る熱交換プログラム９１ｂを取得し、ＲＯＭ９１に記憶させることにしてもよい。
ＲＡＭ９２は、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM)、SRAM(Static RAM）等のメモリであり、ＣＰＵ９１の演算処理を実行する際にＲＯＭ９０から読み出された運転プログラム９１ａ、熱交換プログラム９１ｂ、及びＣＰＵ９０の演算処理によって生ずる各種データを一時記憶する。
制御部９は電池本体１００の各構成部、及び水素供給部２００の開閉弁２１に接続されており、制御部９は各構成部及び開閉弁２１の動作を制御する。
水素検知センサ１０は、水素漏れを検知した場合に、検知信号を制御部９へ出力する。
スタック１で生じる反応は発熱反応であり、スタック１はスタック冷却路４内を通流する冷却水により冷却される。スタック１から排出された冷却水の熱は、熱交換器７０において放熱液に伝導され、放熱液はラジエータ５１において熱を放出し、熱はファン５２により電池本体１００の外部へ放出される。ラジエータ５１において冷却された放熱液は第１熱交換部７へ送られる。
スタック冷却路４において、第１熱交換部７を通流し、第２熱交換部８へ導入された冷却水の熱は、第２熱交換部８において加熱液へ伝導され、加熱液は水素供給部２００の各ＭＨボンベ２０を加熱し、水素吸蔵合金から水素を放出させる。
第２熱交換部８で冷却された冷却水は冷却ポンプ４０へ戻り、スタック１へ送られる。
そして、発電を行っていない場合、スタック冷却路４の冷却水の温度は環境温度となるが、第２熱交換部８のヒータ８１により加熱液を加温することにより、ＭＨボンベ２０を所定温度に保持することができる。
なお、ボンベ加熱路６を有さずに、スタック１で生じた熱を有する空気を水素供給部２００へ送風して、ＭＨボンベ２０を加温することにしてもよい。
本実施の形態においては、以上のように構成された実施の形態１に係る燃料電池３００を用い、スタック１の流出側の温度センサ４１が検出した冷却水の温度Ｔ1 、又はスタック１の流入側の温度センサ４２が検出した冷却水の温度Ｔ2 を取得し、これらの温度に基づき、冷却ポンプ４０、又は放熱ポンプ５０の出力を制御して熱交換を制御し、スタック１の冷却及び外部への放熱を制御する。
制御部９のＣＰＵ９０はＲＯＭ９１から熱交換制御プログラムを読み出して、熱交換の制御処理を実行する。
以下、熱交換の制御処理について説明する。
図２は、ＣＰＵ９０によるスタック冷却路４の制御処理を示すフローチャートである。
まず、ＣＰＵ９０は、冷却ポンプ４０をオンにする（Ｓ１）。
ＣＰＵ９０は、水素検知センサ１０により水素漏れを検知したか否かを判定する（Ｓ２）。
ＣＰＵ９０は、水素漏れを検知したと判定した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、冷却ポンプ４０をオフにし（Ｓ３）、水素供給部２００からの水素の供給を停止して、スタック冷却路４の制御処理を終了する。
ＣＰＵ９０は水素漏れを検知しなかったと判定した場合（Ｓ２：ＮＯ）、温度センサ４１，４２から取得した温度Ｔ1 ℃、Ｔ2 ℃の差（Ｔ1 −Ｔ2 ）が１５℃以下であるか否かを判定する（Ｓ４）。
ＣＰＵ９０は前記差が１５℃以下でないと判定した場合（Ｓ４：ＮＯ）、冷却ポンプ４０への指示電圧を上げ、冷却ポンプ４０から送出される冷却水の流量を増加させ（Ｓ５）、処理をステップＳ７へ進める。冷却水の流量の増加により、スタック１の温度低下が図られる。
ＣＰＵ９０は前記差が１５℃以下であると判定した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、冷却ポンプ４０への指示電圧を下げ、冷却ポンプ４０から送出される冷却水の流量を減少させる（Ｓ６）。これにより冷却水を冷やし過ぎないようにすることができる。
ＣＰＵ９０は、冷却ポンプ４０をオフにするか否かを判定する（Ｓ７）。冷却ポンプ４
０をオフにすると判定する場合の一例として、作業者から発電の停止の指示を受け付けた場合等が該当する。
ＣＰＵ９０は冷却ポンプ４０をオフにすると判定した場合（Ｓ７：ＹＥＳ）、冷却路４の制御処理を終了する。
ＣＰＵ９０は冷却ポンプ４０をオフにしないと判定した場合（Ｓ７：ＮＯ）、処理をステップＳ２へ戻す。
図３は、ＣＰＵ９０によるラジエータ通流路５の制御処理を示すフローチャートである。
まず、ＣＰＵ９０は、ファン５２をオンにする（Ｓ１１）。ここで、ファン５２の回転数は、換気のために必要な最低回転数である。
ＣＰＵ９０は、温度センサ４１から取得した温度Ｔ1 ℃がＴ1 ≧５０℃であるか否かを判定する（Ｓ１２）。
ＣＰＵ９０はＴ1 ≧５０℃でないと判定した場合（Ｓ１２：ＮＯ）、判定の処理を繰り返す。
ＣＰＵ９０はＴ1 ≧５０℃であると判定した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、放熱ポンプ５０をオンにする（Ｓ１３）。
ＣＰＵ９０は、水素検知センサ１０により水素漏れを検知したか否かを判定する（Ｓ１４）。
ＣＰＵ９０は、水素漏れを検知したと判定した場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、放熱ポンプ５０をオフにし（Ｓ１５）、水素供給部２００からの水素の供給を停止して、ラジエータ通流路５の制御処理を終了する。このとき、ファン５２の回転は続行する。
ＣＰＵ９０は水素漏れを検知しなかったと判定した場合（Ｓ１４：ＮＯ）、温度センサ４１から取得した温度Ｔ1 ℃が、Ｔ1 ≦６５℃であるか否かを判定する（Ｓ１６）。
ＣＰＵ９０はＴ1 ≦６５℃でないと判定した場合（Ｓ１６：ＮＯ）、放熱ポンプ５０への指示電圧を上げ、放熱ポンプ５０から送出される放熱液の流量を増加させる（Ｓ１７）。これにより、放熱量が増加し、冷却水がより冷却されて、スタック１の冷却がより図られる。
ＣＰＵ９０は、１０秒間に温度センサ４１から取得した温度Ｔ1 の変化量ΔＴ1 が、ΔＴ1 ≧０であるか否かを判定する（Ｓ１８）。なお、Ｔ1 の変化量ΔＴ1 は２０秒毎に求めることにしてもよい。
ＣＰＵ９０はΔＴ1 ≧０でないと判定した場合（Ｓ１８：ＮＯ）、ファン５２の回転数を下げて風量を減少させ（Ｓ２０）、処理をステップＳ１４へ戻す。Ｔ1 が下がっているので、ファン５２の風量を減少させることにより放熱量を下げる。
ＣＰＵ９０はΔＴ1 ≧０であると判定した場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、ファン５２の回転数を上げて風量を増加させ（Ｓ１９）、処理をステップＳ１８へ戻す。Ｔ1 が上がっているので、ファン５２の風量を増加させることにより放熱量を上げる。
ＣＰＵ９０はステップＳ１６においてＴ1 ≦６５℃であると判定した場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、放熱ポンプ５０への指示電圧を下げ、放熱ポンプ５０から送出される放熱液の流量を減少させる（Ｓ２１）。
ＣＰＵ９０は、放熱ポンプ５０への指示電圧が最小であるか否かを判定する（Ｓ２２）。
ＣＰＵ９０は放熱ポンプ５０への指示電圧が最小でないと判定した場合（Ｓ２２：ＮＯ）、処理をステップＳ１４へ戻す。
ＣＰＵ９０は放熱ポンプ５０への指示電圧が最小であると判定した場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、放熱ポンプ５０をオフにする（Ｓ２３）。放熱量を下げることを繰り返すことにより、指示電圧は最小値に収束するので、放熱ポンプ５０の駆動を停止する。
ＣＰＵ９０は燃料電池３００のシステム全体をオフにするか否かを判定する（Ｓ２４）。システム全体をオフにすると判定する場合の一例として、作業者から発電の停止の指示を受け付けた場合等が該当する。
ＣＰＵ９０は燃料電池３００のシステム全体をオフにすると判定しなかった場合（Ｓ２４：ＮＯ）、ラジエータ通流路５の処理をステップＳ１２へ戻す。
ＣＰＵ９０は燃料電池３００のシステム全体をオフにすると判定した場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、処理を終了する。
なお、図２及び図３のフローチャートにおいて、温度の閾値は上述の値に限定されるものではない。
本実施の形態においては、冷却路を発電部側とラジエータ側とで分けており、スタック冷却路４及びラジエータ通流路５夫々の構成がシンプルであり、長さが短い。従って、配管等の汚染源の面積が小さくなり、第１熱媒体及び第２熱媒体の汚染量が少なくなり、金属イオン等により導電率が上がってスタック１の発電効率の低下が抑制し、スタック１の寿命が短くなることが抑制されている。
そして、冷却路が２経路に分かれることで、スタック１側の第１熱媒体として不凍液が使用できない場合には純水を用い、ラジエータ側の第２熱媒体としては不凍液を用いることができる。不凍液は防錆剤等の薬剤を種々含むため、ラジエータ通流路５の部品が錆びにくくなり、金属イオンの発生が抑制される。従って、ラジエータ通流路５のラジエータ５１等の経路部品の材料として、金属イオンの溶出が少ないＳＵＳ等ではなく、アルミニウムを用いることができ、コストダウンが図られる。
特許文献１等の従来の燃料電池においてはスタックとラジエータとを冷却水が循環するので、冷却のために必要な冷却水の流量とラジエータを冷却するファンの風量との両方を同時に制御する必要があった。そして、筐体の換気のためにファンの風量を所定値以上確保する必要があり、この筐体換気用のファンと、風量が少ないラジエータファンとを共用化することが困難であった。
本実施の形態においては、スタック冷却路４（発熱部側）の流量に依存せず、ラジエータ通流路５（放熱部側）の流量を制御するのみで放熱量を制御することができる。従って、燃料電池３００の電池本体１００の筐体の必要最小限の換気量を確保しつつ、ラジエータ通流路５の流量を制御して放熱量を制御することができる。よって、ファン５２に、ラジエータ５１からの熱の放出と電池本体１００の筐体の換気との両方の機能を持たせることができる。そして、水素が漏れた場合に、燃料電池３００のシステム全体を停止し、水素を希釈して放出することも可能である。
本実施の形態においては、冷却ポンプ４０及び放熱ポンプ５０の出力、即ち循環量を制御することにより、第１熱交換部７で移動する熱量を制御することができる。ラジエータ通流路５の循環量が多いほど、第１熱交換部７で奪う熱量が増えるので、２つのポンプの出力を適宜に組み合わせることできめ細かく熱量を制御することができる。
そして、スタック１の入側と出側の冷却水の温度差を管理することができるので、低温環境下でも、放熱量を減少させる等して、スタック１の温度を安定化させることができる。
そして、本実施の形態においては、放熱ポンプ５０の出力を減少させることにより、第１熱交換部７で奪う熱量を制限し、冷却水を冷やし過ぎることが防止される。
実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る燃料電池を示すブロック図である。実施の形態２に係る燃料電池３０１は、電池本体１００に、イオン交換樹脂４３を備えないこと以外は、実施の形態１に係る燃料電池３００と同様の構成を有する。
本実施の形態においては、冷却路がスタック冷却路４とラジエータ通流路５とに分かれており、ラジエータ５１から発生する金属イオン等の不純物が、スタック冷却路４内を通流することがない。
従って、スタック冷却路４において、イオン交換樹脂を省略することができる。
これにより、燃料電池３０１自体のコストダウンが図られる。
以上のように、本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１熱媒体の循環により冷却する発電部冷却路と、第２熱媒体がラジエータを通流して循環するラジエータ通流路と、前記発電部冷却路に設けられた第１循環ポンプと、前記ラジエータ通流路に設けられた第２循環ポンプと、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を検出する第２温度検出器とを備え、前記第２温度検出器により検出される前記第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させるように構成されていることを特徴とする。
本発明においては、冷却路を発電部側とラジエータ側とで分けており、発電部冷却路及びラジエータ通流路夫々の構成がシンプルであり、長さが短い。従って、配管等の汚染源の面積が小さくなり、第１熱媒体及び第２熱媒体の汚染量が少なくなり、金属イオン等により導電率が上がって発電部の発電効率の低下が抑制し、発電部の寿命が短くなることが抑制されている。
そして、冷却路が２経路に分かれることで、発電部側の第１熱媒体として不凍液が使用できない場合には純水を用い、ラジエータ側の第２熱媒体としては不凍液を用いることができ、ラジエータ通流路のラジエータ等の経路部品の材料として、金属イオンの溶出が少ないＳＵＳ等ではなく、アルミニウムを用いることができる。
また、本発明においては、発電部冷却路側の流量に依存せず、ラジエータ通流路の流量を制御するのみで放熱量を制御することができる。従って、燃料電池の（筐体の）必要最小限の換気量を確保しつつ、ラジエータ通流路の流量を制御して放熱量を制御することができる。よって、筐体のファンとラジエータファンとを共通化することができる。
本発明においては、第２循環ポンプの出力を減少させることにより、熱交換器で奪う熱量を制限し、冷却水を冷やし過ぎることを防止する。
本発明に係る燃料電池は、前記第２熱媒体は不凍液であることを特徴とする。
本発明においては第２熱媒体は不凍液であり、不凍液は防錆剤等の薬剤を種々含むため、ラジエータ通流路の部品が錆びにくい。また、アルミニウム製のラジエータを用いた場合に穴が開き難い。そして、外気温が氷点下であってもラジエータ通流路内で凍結しない。
本発明に係る燃料電池は、前記ラジエータを冷却し、換気を行い、水素が漏れた場合に水素を希釈して放出するファンを備えることを特徴とする。
本発明においては、１つのファンが３つの機能を有することができ、コストダウンが図られる。
本発明に係る燃料電池は、前記発電部により発電を行っている場合に、前記ファンは回転することを特徴とする。
本発明においては、水素が漏れた場合に、すぐに希釈して排気することができる。
本発明に係る燃料電池は、水素の漏れを検知する水素センサを備え、前記水素センサにより水素の漏れを検知した場合に、前記ファンは回転を続行し、前記第１循環ポンプ及び前記第２循環ポンプは停止することを特徴とする。
本発明においては、水素が漏れた場合に、燃料電池のシステム全体を停止して水素の供給を停止するとともに、漏れた水素は希釈して外部に排気することができる。
本発明に係る燃料電池は、前記発電部の流入側における前記第１熱媒体の温度を検出する第１温度検出器を備え、前記第１温度検出器により検出された温度に基づき、前記第１循環ポンプの出力を制御するように構成されていることを特徴とする。
本発明においては、温度に基づいて、２つの循環ポンプの出力、即ち循環量を制御することにより、熱交換器で移動する熱量を制御することができる。ラジエータ通流路の循環量が多いほど、熱交換器で奪う熱量が増えるので、２つのポンプの出力を適宜に組み合わせることできめ細かく熱量を制御することができる。
特許文献１の燃料電池においては、冷却水の温度が所定値未満である場合、冷却水がラジエータへの流路をバイパスするように構成されているが、この場合、閉ループとラジエータ流路との三方切換弁によるタイムラグが生じていたが、本発明の場合、タイムラグがない。
そして、発電部の入側と出側の冷却水の温度差を管理することができるので、低温環境下でも、発電部の温度を安定させることができる。
本発明に係る燃料電池は、前記発電部冷却路、前記熱交換器、及び前記ラジエータ通流路は断熱材により覆われていることを特徴とする。
本発明においては、外部との熱移動を制限できるので、熱量を制御しやすい。
本発明に係る制御方法は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１循環ポンプにより第１熱媒体を循環させて冷却する発電部冷却路と、前記発電部により生じた熱をラジエータに伝導する第２熱媒体を第２循環ポンプにより循環させるラジエータ通流路と、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備える燃料電池の前記熱交換を制御する制御方法であって、前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を取得し、前記流出側における第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させることを特徴とする。
本発明においては、第２循環ポンプの出力を減少させることにより、熱交換器で奪う熱量を制限し、冷却水を冷やし過ぎることを防止する。
本発明に係るコンピュータプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１循環ポンプにより第１熱媒体を循環させて冷却する発電部冷却路と、前記発電部により生じた熱をラジエータに伝導する第２熱媒体を第２循環ポンプにより循環させるラジエータ通流路と、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備える燃料電池の前記熱交換を制御するコンピュータに、前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を取得し、前記流出側における第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させる処理を実行させることを特徴とする。
本発明においては、第２循環ポンプの出力を減少させることにより、熱交換器で奪う熱量を制限し、冷却水を冷やし過ぎることを防止する。
本発明は上述した実施の形態１及び２の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
１ スタック
２ 水素通流路
２６ 水素循環ポンプ
３ 空気流路
３０ エアポンプ
４ スタック冷却路
４０ 冷却ポンプ（第１循環ポンプ）
４１ 温度センサ（第２温度検出器）
４２ 温度センサ（第１温度検出器）
４３ イオン交換樹脂
４４ 導電率計
５ ラジエータ通流路
５０ 放熱ポンプ（第２循環ポンプ）
５１ ラジエータ
５２ ファン
６ ボンベ加熱路
６０ 加熱ポンプ
７ 第１熱交換部
７０、８０ 熱交換器
８１ ヒータ
９ 制御部
９０ ＣＰＵ
１０ 水素検知センサ
１００ 電池本体
２００ 水素供給部
２０ＭＨボンベ
２１ レギュレータ
３００、３０１ 燃料電池

Claims (9)

  1. 水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１熱媒体の循環により冷却する発電部冷却路と、
    第２熱媒体がラジエータを通流して循環するラジエータ通流路と、
    前記発電部冷却路に設けられた第１循環ポンプと、
    前記ラジエータ通流路に設けられた第２循環ポンプと、
    前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
    前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を検出する第２温度検出器と
    を備え、
    前記第２温度検出器により検出される前記第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させるように構成されていることを特徴とする燃料電池。
  2. 前記第２熱媒体は不凍液であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記ラジエータを冷却し、換気を行い、水素が漏れた場合に水素を希釈して放出するファンを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
  4. 前記発電部により発電を行っている場合に、前記ファンは回転することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
  5. 水素の漏れを検知する水素センサを備え、
    前記水素センサにより水素の漏れを検知した場合に、
    前記ファンは回転を続行し、
    前記第１循環ポンプ及び前記第２循環ポンプは停止することを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池。
  6. 前記発電部の流入側における前記第１熱媒体の温度を検出する第１温度検出器を備え、
    前記第１温度検出器により検出された温度に基づき、前記第１循環ポンプの出力を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の燃料電池。
  7. 前記発電部冷却路、前記熱交換器、及び前記ラジエータ通流路は断熱材により覆われていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の燃料電池。
  8. 水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１循環ポンプにより第１熱媒体を循環させて冷却する発電部冷却路と、前記発電部により生じた熱をラジエータに伝導する第２熱媒体を第２循環ポンプにより循環させるラジエータ通流路と、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備える燃料電池の前記熱交換を制御する制御方法であって、
    前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を取得し、
    前記流出側における第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させることを特徴とする制御方法。
  9. 水素及び酸素を反応させて発電する発電部を第１循環ポンプにより第１熱媒体を循環させて冷却する発電部冷却路と、前記発電部により生じた熱をラジエータに伝導する第２熱媒体を第２循環ポンプにより循環させるラジエータ通流路と、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器とを備える燃料電池の前記熱交換を制御するコンピュータに、
    前記発電部の流出側における前記第１熱媒体の温度を取得し、
    前記流出側における第１熱媒体の温度が所定値以下である場合に、前記第２循環ポンプの出力を減少させる
    処理を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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