JP7006506B2

JP7006506B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7006506B2
Application number: JP2018099936A
Authority: JP
Inventors: 慶大山上; 茂樹長谷川; 啓之今西; 智隆石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2038-05-24
Also published as: US11296334B2; JP2019204717A; DE102019110166A1; CN110600767B; CN110600767A; US20190363376A1

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

近年、自動車向け燃料電池として固体高分子電解質型燃料電池が注目されている。固体高分子電解質型燃料電池は、多数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。ここで、単セルは、高分子電解質膜が一対の電極により挟持されてなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、それを両側から挟み込む一対のセパレータとからなる。カソード側のセパレータを介して供給されたエア（空気）と、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。

燃料電池は、発電中に発熱するため、ラジエータとの間を循環する冷却液によって冷却される。ここで、燃料電池の冷却液には、漏電防止の観点から電気絶縁性が要求される。そのため、特許文献１に示すように、ラジエータなどから冷却液中に溶出するイオンを除去するためのイオン交換器がバイパス流路に設けられている。冷却液中のイオンを除去することによって、冷却液の導電率が低下する。すなわち、冷却液の電気抵抗率（導電率の逆数）が上昇し、電気絶縁性が確保される。このように、燃料電池システムでは、燃料電池の発電中、燃料電池を冷却しつつ、イオン交換器によって冷却液中のイオンを除去している。

特開２０１４－１５７８３２号公報

発明者は、燃料電池システムに関し、以下の課題を見出した。
ラジエータは、例えば金属製のフィンやパイプなどから構成されており、ラジエータの製造工程には、フラックスを用いたろう付け工程が含まれる。
そのため、例えば製造後初期の段階で、燃料電池システムを長時間停止させておくと、ラジエータに残留したフラックスが、イオンとして冷却液中に溶出し、ラジエータ内の冷却液の導電率が局所的に上昇してしまう虞がある。
従って、このように燃料電池システムを長時間停止させた後の起動時には、停止中にラジエータ内に溜まっていた冷却液をイオン交換器に導き、冷却液中のイオンを短時間で除去して冷却液の導電率を所定の閾値よりも低くする必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、長時間停止後の起動時に、停止中にラジエータ内に溜まっていた冷却液をイオン交換器に導き、冷却液中のイオンを短時間で除去可能な燃料電池システムを提供するものである。

本発明に係る燃料電池システムは、
複数のセルが積層された燃料電池と、
前記燃料電池を通過した冷却液を冷却するラジエータと、
前記冷却液が前記燃料電池と前記ラジエータとの間を循環するための循環流路から分岐したバイパス流路に設けられたイオン交換器と、
前記循環流路から前記バイパス流路が分岐した分岐点に設けられた多方弁と、
前記冷却液を循環させるポンプと、を備え、
前記多方弁によって、前記バイパス流路に流す前記冷却液の比率を制御可能な燃料電池システムであって、
当該燃料電池システムの起動時に、停止時間が閾値時間よりも長い場合、
前記冷却液を前記ラジエータに循環させた後、
前記冷却液の導電率が閾値導電率を下回るまで、前記冷却液を８０％以上の前記比率で前記バイパス流路に循環させるものである。

本発明に係る燃料電池システムでは、起動時に、停止時間が閾値時間よりも長い場合、冷却液をラジエータに循環させた後、冷却液の導電率が閾値導電率を下回るまで、冷却液を８０％以上の比率でバイパス流路に循環させる。停止中にラジエータ内に溜まっていた冷却液をその他の冷却液と混合させ、冷却液の導電率を均一化した後、イオン交換器に導き、冷却液中のイオンを短時間で除去することができる。

前記冷却液を前記ラジエータに循環させる際、前記比率を０％としてもよい。ラジエータに流れる冷却液の流速を高め、停止中にラジエータ内に溜まっていた冷却液をその他の冷却液と短時間で混合させることができる。

前記冷却液を前記ラジエータに循環させる際、前記冷却液を前記循環流路の半周以上循環させてもよい。停止中にラジエータ内に溜まっていた冷却液をその他の冷却液と充分に混合させることができる。

前記冷却液を前記バイパス流路に循環させる際の前記比率を、出荷前検査時よりもユーザ使用時において高くなるように切り換えてもよい。ユーザ使用時に、冷却液中のイオンをより短時間で除去することができる。

本発明により、長時間停止後の起動時に、停止中にラジエータ内に溜まっていた冷却液をイオン交換器に導き、冷却液中のイオンを短時間で除去可能な燃料電池システムを提供することができる。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。制御部５０による制御動作を示すフローチャートである。冷却液流量とイオン交換器ＩＥにおけるイオン交換率との関係を示すグラフである。バイパス流路１１に流す冷却液の比率を変化させた場合の導電率の時間変化を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜燃料電池システムの構成＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、第１の実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池ＦＣ、イオン交換器ＩＥ、導電率センサＳ、循環流路１０、バイパス流路１１、ラジエータ２０、冷却液ポンプ３０、多方弁４０、制御部５０を備えている。すなわち、図１に示した第１の実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池ＦＣの冷却系システムである。

本実施形態では、一例として燃料電池自動車に適用する燃料電池システムについて説明する。燃料電池自動車は、燃料電池ＦＣにより発電した電気によりモータを駆動し、走行する。但し、第１の実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池自動車用途に限定されるものではなく、他の用途に適用することもできる。

燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。ここで、単セルは、高分子電解質膜がアノード電極及びカソード電極により挟持されてなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡ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ＦＣは、カソード側のセパレータを介して供給されたエア中の酸素ガスと、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。

具体的には、アノード電極では、式（１）の酸化反応が生じており、カソード電極では、式（２）の還元反応が生じている。そして、燃料電池ＦＣ全体として、式（３）の化学反応が生じている。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－・・・（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ・・・（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ・・・（３）

燃料電池ＦＣは、上記反応による発電中に発熱する。そのため、図１に示すように、燃料電池ＦＣは、循環流路１０に接続されており、循環流路１０を循環する冷却液によって冷却され、適切な温度に維持される。

循環流路１０は、燃料電池ＦＣとラジエータ２０との間において、冷却液を循環させるループ状の流路であって、例えばゴム配管、金属パイプ、樹脂パイプなどから構成される。図１において、循環流路１０に沿って描かれた破線矢印は、冷却液の流れを示している。また、図１に示すように、循環流路１０は、燃料電池ＦＣの冷却液流出側において、電気的に接地されている。接地箇所では、金属パイプを用いている。

ラジエータ２０は、燃料電池ＦＣを通過して温められた冷却液を冷却するための放熱器であって、循環流路１０に接続されている。ラジエータ２０は、例えば放熱用の金属フィンと、冷却液を流す金属パイプとから構成されている。金属フィンや金属管は、例えば熱伝導性に優れるアルミニウム合金や銅などからなる。冷却液の熱が、金属管及び金属フィンを介した熱伝導によって、空気中に放出される。
なお、ラジエータ２０は、例えばメインラジエータやサブラジエータなどの複数のラジエータから構成されていてもよい。

冷却液ポンプ３０は、冷却液を循環させるポンプであり、循環流路１０に設けられている。図１の例では、冷却液ポンプ３０は、燃料電池ＦＣの冷却液流入側の循環流路１０に設けられている。換言すると、冷却液ポンプ３０は、バイパス流路１１との合流点と燃料電池ＦＣとの間の循環流路１０に設けられている。そのため、冷却液ポンプ３０は、ラジエータ２０もしくはイオン交換器ＩＥを通過した冷却液を、燃料電池ＦＣに対して送出する。図１に示すように、冷却液ポンプ３０は、電気的に接地されている。このように、燃料電池ＦＣの冷却液流入側及び冷却液流出側において、電気的に接地されている。

ここで、燃料電池ＦＣを通過する冷却液には、漏電防止の観点から電気絶縁性が要求される。そのため、燃料電池ＦＣを挟んだ２つの接地箇所の間における冷却液の導電率を測定する。図１の例では、冷却液ポンプ３０と燃料電池ＦＣとの間の循環流路１０上に導電率センサＳを設け、冷却液の導電率を直接測定している。導電率センサＳにより測定された冷却液の導電率は、制御部５０に入力され、多方弁４０の制御に用いられる。

なお、導電率センサＳは、バイパス流路１１及びバイパス流路１１よりも燃料電池ＦＣ側の循環流路１０（すなわちバイパス循環流路）であれば、どこに設置してもよい。また、冷却液の導電率を検出する手段は、冷却液の導電率を直接測定する導電率センサＳに限定されるものではない。さらに、冷却液の導電率は、冷却液の電気抵抗率の逆数であるため、冷却液の電気抵抗率の検出は、冷却液の導電率の検出と同義である。すなわち、冷却液の導電率に代えて、冷却液の電気抵抗率を検出してもよい。
また、燃料電池ＦＣを挟んだ２つの接地箇所の間における絶縁抵抗値を検出してもよい。

図１に示すように、バイパス流路１１は、ループ状の循環流路１０から分岐し、ラジエータ２０と並列に設けられた流路である。バイパス流路１１に沿って描かれた破線矢印は、冷却液の流れを示している。図１に示すように、燃料電池ＦＣから流出し、バイパス流路１１を通過した冷却液は、ラジエータ２０を通過せずに、燃料電池ＦＣに流入するように循環する。

バイパス流路１１には、ラジエータ２０などから冷却液中に溶出するイオンを除去するためのイオン交換器ＩＥが設けられている。図１に示すように、イオン交換器ＩＥはイオン交換フィルタＦＬを備えている。イオン交換器ＩＥでは、イオン交換フィルタＦＬによる圧力損失が大きいため、バイパス流路１１を流れる冷却液の一部のみがイオン交換フィルタＦＬを通過する。イオン交換器ＩＥを用いて冷却液中のイオンを除去することによって、冷却液の導電率が低下する。すなわち、冷却液の電気抵抗率（導電率の逆数）が上昇し、電気絶縁性が確保される。

多方弁４０は、燃料電池ＦＣを通過した冷却液が、循環流路１０からバイパス流路１１に分流する分岐点に設けられた電磁弁である。図１の例では、多方弁４０は三方弁である。制御部５０によって多方弁４０を制御することにより、ラジエータ２０に流す冷却液と、バイパス流路１１（すなわちイオン交換器ＩＥ）に流す冷却液との比率を変更することができる。
なお、多方弁４０は三方弁に限定されるものではない。

制御部５０は、燃料電池システム内の各種機器の動作を制御する。例えば、制御部５０は、燃料電池ＦＣの発電が開始されると、冷却液の温度に基づいて多方弁４０を制御する。すなわち、ラジエータ２０に流す冷却液の比率（すなわちバイパス流路１１に流す冷却液の比率）を多方弁４０によって変更し、冷却液の温度を適切な温度に維持する。そのため、燃料電池ＦＣを冷却しつつ、イオン交換器ＩＥによって冷却液中のイオンを除去することができる。

また、制御部５０は、長時間停止後の起動時に、導電率センサＳによって測定された冷却液の導電率に基づいて、多方弁４０を制御する。具体的には、制御部５０は、冷却液をラジエータ２０に循環させた後、冷却液の導電率が閾値導電率を下回るまで、冷却液を８０％以上の比率でバイパス流路１１に循環させるように制御する。制御部５０による制御動作の詳細については後述する。

なお、図１に示していないが、制御部５０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部と、各種制御プログラムやデータなどが格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶部と、を備えている。

＜制御部５０による制御動作＞
以下に、図２を参照して、制御部５０による制御動作の詳細について説明する。図２は、制御部５０による制御動作を示すフローチャートである。
上述の通り、ラジエータ２０は、例えば金属製のフィンやパイプなどから構成されており、ラジエータ２０の製造工程には、フラックスを用いたろう付け工程が含まれる。そのため、例えば製造後初期の段階で、燃料電池システムを長時間停止させておくと、ラジエータ２０に残留したフラックスが、イオンとして冷却液中に溶出し、ラジエータ２０内の冷却液の導電率が局所的に上昇してしまう虞がある。

そこで、本実施形態に係る燃料電池システムでは、長時間停止後の起動時に、停止中にラジエータ２０内に溜まっていた冷却液をイオン交換器ＩＥに導き、冷却液中のイオンを短時間で除去するように、制御部５０が制御する。

図２に示すように、システムを起動した際、制御部５０は、停止時間が閾値時間を超えているか否か判定する（ステップＳＴ１）。停止時間が閾値時間を超えていない場合（ステップＳＴ１ＮＯ）、ラジエータ２０内の冷却液の導電率が局所的に上昇している虞がないため、通常の起動動作に移行する。制御部５０は、例えば、今回システムを起動した時刻と前回システムを停止した時刻との差を停止時間として算出する。

停止時間が閾値時間を超えている場合（ステップＳＴ１ＹＥＳ）、ラジエータ２０内の冷却液の導電率が局所的に上昇している虞があるため、冷却液をラジエータ２０に循環させる（ステップＳＴ２）。これによって、停止中にラジエータ２０内に溜まっていた冷却液を、その他の冷却液と混合させて、冷却液の導電率を均一化する。

ステップＳＴ２において、一例として、冷却液ポンプ３０の回転数すなわち冷却液流量を最大にし、ラジエータ２０に流す冷却液の比率を１００％（バイパス流路１１に流す冷却液の比率を０％）とするように多方弁４０を制御する。これによって、ラジエータ２０に流れる冷却液の流速が最大になるため、停止中にラジエータ２０内に溜まっていた冷却液を、その他の冷却液とより短時間で混合させることができる。また、ラジエータ２０内を洗浄する効果も期待できる。

そして、ステップＳＴ２において、一例として、冷却液を循環流路１０の半周以上循環させる。これによって、停止中にラジエータ２０内に溜まっていた冷却液を、その他の冷却液と充分に混合させることができる。

次に、バイパス流路１１に流す冷却液の比率を８０％以上とするように多方弁４０を制御し、冷却液をバイパス流路１１に循環させる（ステップＳＴ３）。バイパス流路１１に設けられたイオン交換器ＩＥよって、冷却液の導電率を短時間で低下させることができる。バイパス流路１１に流す冷却液の比率が８０％未満の場合、イオン交換器ＩＥにおけるイオン交換率が低下し、冷却液の導電率を短時間で低下させることができなくなる。

ここで、図３は、冷却液流量とイオン交換器ＩＥにおけるイオン交換率との関係を示すグラフである。図３の横軸は冷却液流量（Ｌ／ｍｉｎ）、縦軸はイオン交換率（％）を示している。図３に示すように、冷却液流量が大きい程、イオン交換率は高くなり、短時間でイオンを除去することができる。通常、冷却液流量は一定（例えば最大）に維持するため、バイパス流路１１に流す冷却液の比率が大きい程、短時間でイオンを除去することができる。

また、図４は、バイパス流路１１に流す冷却液の比率を変化させた場合の導電率の時間変化を示すグラフである。図４の横軸は時間（ｍｉｎ）、縦軸は導電率（μＳ／ｃｍ）を示している。バイパス流路１１に流す冷却液の比率が、５０％、６０％、８０％、１００％について示されている。図４に示すように、バイパス流路１１に流す冷却液の比率が大きい程、閾値導電率を下回るまでの時間が短くなり、８０％以上の場合、冷却液の導電率を短時間で低下させることができる。

ここで、出荷前検査時には、冷却液の導電率が高くなり易い。そのため、ステップＳＴ３においてバイパス流路１１に流す冷却液の比率を１００％とせずに、ラジエータ２０にも冷却液を循環させてもよい。これにより、冷却液全体の導電率を確実に閾値導電率よりも下げることができる。一例として、バイパス流路１１に流す冷却液の比率を９０％程度とする。

他方、出荷後のユーザ使用時には、冷却液の導電率がさほど高くならない。そのため、ステップＳＴ３においてバイパス流路１１に流す冷却液の比率を出荷前検査時よりも高く、例えば１００％としてもよい。ユーザ使用時に、冷却液中のイオンをより短時間で除去し、導電率を閾値導電率よりも低下させることができる。

次に、図２に示すように、冷却液の導電率が閾値導電率を下回っているか否か判定する（ステップＳＴ４）。冷却液の導電率が閾値導電率を下回っていない場合（ステップＳＴ４ＮＯ）、再度ステップＳＴ４を繰り返す。すなわち、冷却液の導電率が閾値導電率を下回るまで、冷却液をバイパス流路１１に循環させ続ける。一方、冷却液の導電率が閾値導電率を下回っている場合（ステップＳＴ４ＹＥＳ）、通常の起動動作に移行する。

なお、通常の起動動作では、最初にラジエータ２０には冷却液を循環させず、バイパス流路１１と燃料電池ＦＣとの間で冷却液を循環させ、冷却液の温度を上昇させる。冷却液の温度が所定の温度まで上昇した後、ラジエータ２０にも冷却液を流すように多方弁４０を制御して、冷却液の温度を適切な温度に維持する。

以上の通り、本実施形態に係る燃料電池システムでは、長時間停止後の起動時に、冷却液をラジエータ２０に循環させた後、冷却液の導電率が閾値導電率を下回るまで、冷却液を８０％以上の比率でバイパス流路１１に循環させる。そのため、停止中にラジエータ２０内に溜まっていた冷却液をその他の冷却液と混合させ、冷却液の導電率を均一化した後、イオン交換器ＩＥに導き、冷却液中のイオンを短時間で除去することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、燃料電池ＦＣに供給される圧縮空気を冷却するためのインタークーラが燃料電池ＦＣと並列に接続されていてもよい。

１０循環流路
１１バイパス流路
２０ラジエータ
３０冷却液ポンプ
４０多方弁
５０制御部
ＦＣ燃料電池
ＦＬイオン交換フィルタ
ＩＥイオン交換器
Ｓ導電率センサ

Claims

複数のセルが積層された燃料電池と、
前記燃料電池を通過した冷却液を冷却するラジエータと、
前記冷却液が前記燃料電池と前記ラジエータとの間を循環するための循環流路から分岐したバイパス流路に設けられたイオン交換器と、
前記循環流路から前記バイパス流路が分岐した分岐点に設けられた多方弁と、
前記冷却液を循環させるポンプと、を備え、
前記多方弁によって、前記バイパス流路に流す前記冷却液の比率を制御可能な燃料電池システムであって、
前記バイパス流路は、前記ラジエータと並列に設けられており、
当該燃料電池システムの起動時に、停止時間が閾値時間よりも長い場合、
最初に、前記比率を０％として、前記冷却液を前記バイパス流路に流さずに前記ラジエータに循環させた後、
前記冷却液の導電率が閾値導電率を下回るまで、前記冷却液を８０％以上の前記比率で前記バイパス流路に循環させる、
燃料電池システム。
前記冷却液を前記ラジエータに循環させる際、
前記冷却液を前記循環流路の半周以上循環させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記冷却液を前記バイパス流路に循環させる際の前記比率を、
出荷前検査時よりもユーザ使用時において高くなるように切り換える、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。