JPH04155770A - 燃料電池冷却システムとその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、燃料電池冷却システムとその制御方法に関す
るものである。

［従来の技術］ 燃料電池は、燃料と酸化剤とをリン酸等の電解質を介し
て電気化学的に反応させ、燃料の持っている化学エネル
ギーを電気エネルギーに変換して発電を行うものであり
、その発電反応は発熱を伴うので、所定温度下でその発
電反応を行わせるために冷却システムを設けている。

第２図は燃料電池の冷却システムの従来例を示すシステ
ム構成図である。この従来例の構成において、１は燃料
電池本体、２は排熱回収交換器、３は吸収式冷凍機、４
は吸収式冷凍機高温熱源の供給用ポンプ、５は吸収式冷
凍機３用の室外熱交換器、６は吸収式冷凍機３の冷却回
路、７は吸収式冷凍機冷却媒体の循環用ポンプ、８は温
度制御用熱交換器、９は燃料電池本体１用の室外熱交換
器、１０は温度制御用冷却回路、１１は温度制御用冷却
回路冷却媒体の循環用ポンプ、１２は気液分離器、１３
は熱電池冷却媒体の循環用ポンプ、３０は吸収式冷凍機
３の排熱回収熱媒体循環回路を示している。また、吸収
式冷凍機３の構成において、３Ａは再生器、３Ｂは凝縮
器、３Ｃは吸収器、３Ｄは蒸発器である。上記における
冷却媒体や熱媒体としては、通常、水が用いられている
。

この構成により、従来、燃料電池本体１で発する熱は、
排熱回収熱交換器２を介して吸収式冷凍機３で利用され
た後、温度制御用熱交換器８および室外熱交換器９によ
り燃料電池本体１外に放熱されていた。

すなわち、その動作を述べると、まず、燃料電池本体１
で発生する熱を吸収して気体または気液二相状態となっ
た燃料電池冷却媒体が、排熱回収熱交換器２に導かれる
。排熱回収熱交換器２に導かれた燃料電池冷却媒体は、
吸収式冷凍機３の高温熱源として利用される熱を放出し
、次いで温度制御用熱交換器８に導かれて燃料電池本体
を冷却するに適した温度まで冷却され、気液分離器１２
にて気体と液体とに分離された後、気体は外部に、液体
（冷却媒体）は循環用ポンプ１３にて燃料電池本体１に
導かれて、以下同様のサイクルを繰り返す。

次に、吸収式冷凍機３の排熱回収熱媒体循環回路３０に
おいて、排熱回収交換器２で燃料電池本体１からの熱を
熱交換した排熱回収熱媒体は、吸収式冷凍機３の再生器
３Ａで熱を放出し、供給用ポンプ４により排熱回収熱交
換器２に導かれて以下同様のサイクルを繰り返す。吸収
式冷凍機３の冷却回路６においては、吸収式冷凍機３の
吸収器３Ｂおよび凝縮器３Ｂで熱を受は取った冷却媒体
が、室外熱交換器５でその熱を外部に放出し、循環用ポ
ンプ７により吸収式冷凍機３に導かれて、以下同様のサ
イクルを繰り返す。

さらに、温度制御用冷却回路１０においては、温度制御
用熱交換器８で熱を熱交換した冷却媒体が、室外熱交換
器９で熱を外部に放出し、循環用ポンプ１１により温度
制御用熱交換器８に導かれて、同様のサイクルを繰り返
す。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の技術における燃料電池の冷却
システムでは、燃料電池が室内に設置されている場合、
温度制御用熱交換器８で回収した熱を室外に放出するた
めに、室外熱交換器９を設置する必要があり、吸収式冷
凍機３用の室外熱交換器５とあわせて２つの室外熱交換
器を必要とする欠点があった。

そこで、第３図に示すように、室外熱交換器を１つとす
るため、吸収式冷凍機３の冷却媒体と燃料電池本体ｌの
冷却媒体とを冷却回路熱交換器１４を介して熱交換する
方法が考えられる。この改良案では、第２図の従来例の
温度制御用熱交換器８に代えて吸収式冷凍機３の冷却媒
体循環回路６を循環する冷却媒体と熱交換可能な冷却回
路熱交換器１４を設け、室外熱交換器９と循環用ポンプ
１１を省いて温度制御用冷却回路１０を省くとともに、
冷却回路熱交換器１４のバイパス回路を形成して冷却媒
体の温度制御するための流量調節三方弁１８と、冷却媒
体の温度センサ１９および制御装置２０を設けている。

他の構成は第２図の従来例と同様であり、同等の要素に
は同一の符号を付しである。この改良案は、燃料電池本
体１で発生した熱のうち、排熱回収熱交換器２で回収し
きれなかった熱を、冷却回路熱交換器１４により、吸収
式冷凍機３の冷却回路６を介して室外熱交換器５により
室外に放出する方法である。

しかしながら、この改良案では、燃料電池本体１の冷却
系と吸収式冷凍機３の冷却回路６とで直接熱交換すると
、吸収式冷凍機３の冷却温度が上昇して吸収式冷凍機３
の冷却に支障をきたす場合があるとともに、吸収式冷凍
機３の冷却媒体として低沸点媒体（例えばフロン）を用
いている場合には、温度が高くなりすぎて低沸点媒体が
分解してしまう恐れがあるという問題が発生する。

本発明は、上記欠点および問題点を解決するために提案
するものであり、燃料電池本体から発する熱を回収して
利用する吸収式冷凍機に悪影響を与えることなく、吸収
式冷凍機の冷却回路を利用してその吸収式冷凍機用とし
回収しきれなかった熱を放熱させ、燃料電池の冷却媒体
温度を制御できるようにする燃料電池冷却システムとそ
の制御方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するための本発明の燃料電池冷却シス
テムの構成は、 燃料電池の冷却回路により該燃料電池を冷却して得た熱
を排熱回収熱交換器で回収し、室外熱交換器を備えた冷
却回路を有する吸収式冷凍機で該回収熱を利用する燃料
電池冷却システムにおいて、第１の冷却回路熱交換器と
第２の冷却回路熱交換器を備えて熱搬送媒体を循環させ
る中間冷却回路を設け、前記第１の冷却回路熱交換器に
は前記燃料電池を冷却し前記排熱回収熱交換器を出た冷
却媒体の一部もしくは全部を通して該燃料電池の冷却回
路と前記中間冷却回路との熱交換を可能にし、前記第２
の冷却回路熱交換器には前記吸収式冷凍機の冷却回路の
冷却媒体を通し前記中間冷却回路と該吸収式冷凍機の冷
却回路との熱交換を可能にし、前記排熱回収熱交換器で
回収しきれない熱を前記中間冷却回路を介し、さらに前
記吸収式冷凍機の冷却回路を介して前記室外熱交換器で
放熱することを特徴とする。

また、同じく上記の目的を達成するための本発明の燃料
電池冷却システムの制御方法の構成は、上記の燃料電池
冷却システムにおいて、燃料電池を冷却する冷却媒体の
温度を計測する過程と、前記計測温度と前記冷却媒体の
設定温度とを比較して、該計測温度が高いときは第１の
冷却回路熱交換器への該冷却媒体流量を増やし、該計測
温度が低いときは該第１の冷却回路熱交換器への該冷却
媒体流量を減らす過程と、を有することを特徴とする。

［作用］ 本発明は、燃料電池で発する熱のうち回収して吸収式冷
凍機で利用しきれなかった熱を、中間冷却回路を介して
吸収式冷凍機の冷却回路と熱交換することにより、吸収
式冷凍機の冷却回路の室外熱交換器を用いて燃料電池冷
却媒体温度を制御できるようにすることで室外熱交換器
を一つにして設備の経済化を図るとともに、中間冷却回
路を介して燃料電池の冷却媒体と吸収式冷凍機の冷却媒
体とが熱交換することで、吸収式冷凍機冷却媒体温度が
高くなり過ぎるのを防止し、その吸収式冷凍機の冷却性
能に支障を及ぼしたり、吸収式冷凍装置の低沸点媒体等
の冷却媒体を分解したりするのを回避する。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す燃料電池の冷却システ
ム構成図である。本実施例の構成において、■は燃料電
池本体、２は排熱回収交換器、３は吸収式冷凍機、４は
吸収式冷凍機高温熱源供給用ポンプ、５は室外熱交換器
、６は吸収式冷凍機冷却回路、７は吸収式冷凍機冷却媒
体循環用ポンプ、１２は気液分離器、１３は熱電池冷却
媒体循環用ポンプ、１４は第１の冷却回路熱交換器、１
５は第２の冷却回路熱交換器、１６は中間冷却回路、１
７は熱搬送媒体循環用ポンプ、１８は流量調節三方弁、
１９は温度センサ、２０はコントローラ（制御装置）、
３０は吸収式冷凍機の排熱回収熱媒体循環回路を示す。

また、吸収式冷凍機３の構成において、３Ａは再生器、
３Ｂは凝縮器、３Ｃは吸収器、３Ｄは蒸発器である。

燃料電池本体１の冷却系は、燃料電池冷却媒体が、燃料
電池本体１の冷却媒体出口から第１の冷却回路熱交換器
２を通り、流量調節三方弁１８を介して後記の中間冷却
回路１６の第１の冷却回路熱交換器１４とバイパス回路
に分岐され、再び合流された後気液分離器１２に導びか
れ、液状の冷却媒体のみが循環用ポンプ１３により燃料
電池本体１の冷却媒体入口へ循環されるように、配管で
結ばれて構成される。

また、中間冷却回路１６は、熱搬送媒体が、第１の冷却
回路熱交換器１４を通り、第２の冷却回路熱交換器１５
を通り、循環用ポンプ１７により再び第１の冷却回路熱
交換器１４に循環されるように、配管で結ばれて構成さ
れる。

また、吸収式冷凍機３の冷却回路６は、吸収式冷凍機冷
却媒体が、吸収器３Ｃを通り、凝縮器３Ｂを通り、前述
の中間冷却回路１６の第２の冷却回路熱交換器１５を通
り、室外熱交換器５を通り、循環用ポンプ７により再び
吸収器３Ｃに循環されるように、配管で結ばれて構成さ
れる。

また、吸収式冷凍機３の排熱回収熱媒体循環回路３０は
、排熱回収熱媒体が、前述の排熱回収熱交換器２を通り
、再生器３Ａを通り、循環用ポンプ４により再び排熱回
収熱交換器２に循環されるように、配管で結ばれて構成
される。

以上のように構成した実施例の動作および作用を述べる
。

まず、第１図に基づいて本実施例の動作を説明する。燃
料電池本体１で加熱された燃料電池冷却媒体は気化して
ガス状または気液混合状となり排熱回収熱交換器２に導
かれる。排熱回収熱交換器２に導かれた燃料電池冷却媒
体は、吸収式冷凍機の高温熱源として利用する熱を放出
し、自らは液化して流量調節三方弁１８に導かれる。流
量調節三方弁１８は、温度センサ１９で検出した温度と
設定温度との差に応じてコントローラ２０から送出され
る信号で弁開度が調節され、冷却回路熱交換器１４側を
流れる流量とバイパス側を流れる流量の割合を定める。

すなわち、温度センサ１９で検出した温度が設定温度よ
り高い場合には、燃料電池冷却媒体の温度を下げるため
に、より多くの熱を外部に捨てる必要がある。そのため
、流量調節三方弁１８を調節して冷却回路熱交換器１４
を流れる流量が多くなるようにすることで、より多くの
熱を外部に捨てて温度を下げる。逆に、温度センサ１９
で検出した温度が設定温度より低い場合には、燃料電池
冷却媒体の温度を上げるために、より少ない熱を外部に
捨てるようにする必要がある。そのため、流量調節三方
弁１８を調節して冷却回路熱交換器１４を流れる流量が
少なくなるようにすることで、より少ない熱を外部に捨
てて温度を上昇させる。冷却回路熱交換器１４に導かれ
た燃料電池冷却媒体は、中間冷却回路１６を流れる吸収
式冷凍機３の冷却媒体と熱交換して、バイパス側を流れ
て熱交換しなかった燃料電池冷却媒体と混合して設定温
度（燃料電池の冷却に適した温度）となり、気液分離器
１２を介して冷却媒体循環用ポンプ１３に導かれる。冷
却媒体循環用ポンプ１３で循環力を与えられた燃料電池
冷却媒体は燃料電池本体１に導かれ、以下同様のサイク
ルを繰り返す。

一方、中間冷却回路１６は、熱搬送媒体循環用ポンプ１
７により熱搬送媒体を循環させ、第１の冷却回路熱交換
器１４で得た熱を第２の冷却回路熱交換器１５を介して
吸収式冷凍機３の冷却回路６に搬送する。

また、吸収式冷凍機３では、燃料電池本体重より排熱回
収熱交換器２を介して再生器３Ａに熱が与えられ、蒸発
器３Ｄにおいて冷水を造るとともに、凝縮器３Ｂおよび
吸収器３Ｃで熱を発する。

この凝縮器３Ｂおよび吸収器３Ｃから放出される熱と、
第２の冷却回路熱交換器１５から与えられた熱とを合わ
せて、室外交換器５で大気に放出される。

次に、本発明の動作を従来技術と比較して説明する。第
２図の従来例において、燃料電池本体から発する熱のう
ち吸収式冷凍機の高温熱源として利用されなかった熱は
、温度制御用熱交換器８により外部に放出しなければな
らない。しかし、燃料電池が室内に設置されている場合
には、温度制篩用熱交換器８は空冷式の熱交換器とする
ことができず、図に示すように外部に別に室外熱交換器
９を設ける必要がある。この室外熱交換器９をなくすた
めに、第３図に示すように、吸収式冷凍機３の冷却回路
６に熱を放出し、吸収式冷凍機冷却回路６の室外熱交換
器５を併用して燃料電池本体１の発生熱を外部に放出す
る方法が考えられる。

しかし、この方法も吸収式冷凍機３の冷却媒体として水
が使われている場合は問題ないが、冷却媒体の搬送動力
を削減する目的で冷却媒体として低沸点媒体（例えばフ
ロン）を用いる場合は問題となる。それは、低沸点媒体
として例えばＲ２２を用いた場合、その温度が１３０［
℃］以上になると分解が始めるなど高温に弱い性質があ
るためである。そのため、吸収式冷凍機の冷却媒体とし
て低沸点媒体が用いられている場合に、第３図に示すよ
うにその冷却媒体と燃料電池の冷却媒体とを直接熱交換
させると、低沸点媒体の温度が上昇して分解が始まる恐
れかある。

そこで、本実施例では、吸収式冷凍機３の冷却媒体と燃
料電池本体１の冷却媒体とを直接熱交換させるのではな
く、その間に中間冷却回路１６を設けて熱交換ロス等に
より燃料電池冷却媒体からの熱の温度レベルを下げて吸
収式冷凍機３の冷却媒体へ熱交換するようにする。この
ように、中間冷却回路１６を設けることにより、吸収式
冷凍機冷却媒体温度が高くなり過ぎることがないので、
吸収式冷凍機３の冷却性能に支障を及ぼすこともなく、
吸収式冷凍機冷却媒体として低沸点媒体を用いている場
合も問題がなくなる。

なお、本発明における冷却媒体や熱搬送媒体および熱媒
体は水量外の媒体も用いることができる。

このように、本発明は、その主旨に沿って種々に応用さ
れ、種々の実施態様を取り得るものである。

［発明の効果コ 以上の説明で明らかなように、本発明の燃料電池冷却シ
ステムによれば、中間冷却回路を介して燃料電池冷却媒
体と吸収式冷凍機冷却媒体とが熱交換するため、吸収式
冷凍機冷却回路度か高くなり過ぎて吸収式冷凍機の冷却
性能に支障を及ぼすようなことなく、かつ吸収式冷凍機
の冷却媒体として低沸点媒体（例えばフロン）を用いて
いる場合でも、温度が高くなりすぎて低沸点媒体が分解
してしまうといった恐れなく、吸収式冷凍機と共通の室
外熱交換を用いて経済的に燃料電池の冷却が行える利点
がある。

また、本発明の請求項２の発明によれば、上記に加えて
燃料電池を冷却する冷却媒体温度を所定の値に維持でき
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す燃料電池の冷却システ
ム図、第２図は従来例の燃料電池冷却システム図、第３
図は吸収式冷凍機の冷却媒体と燃料電池の冷却媒体とを
直接熱交換する場合の燃料電池冷却システム図である。 ｌ・・・燃料電池本体、２・・・排熱回収交換器、３・
・・吸収式冷凍機、３Ａ・・・再生器、３Ｂ・・・凝縮
器、３Ｃ・・・吸収器、３Ｄ・・・蒸発器、４・・・吸
収式冷凍機高温熱源供給用ポンプ、５・・・室外熱交換
器、６・・・吸収式冷凍機冷却回路、７・・・吸収式冷
凍機冷却媒体循環用ポンプ、１２・・・気液分離器、１
３・・・燃料電池冷却媒体循環用ポンプ、１４・・・第
１の冷却回路熱交換器、１５・・・第２の冷却回路熱交
換器、１６・・・中間冷却回路、１７・・・熱搬送媒体
循環用ポンプ、１８・・・流量調節三方弁、１９・・・
温度センサ、２０・・・コントローラ（制御装置）、３
０・・・吸収式冷凍機の排熱回収熱媒体循環回路。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料電池の冷却回路により該燃料電池を冷却して
   得た熱を排熱回収熱交換器で回収し、室外熱交換器を備
   えた冷却回路を有する吸収式冷凍機で該回収熱を利用す
   る燃料電池冷却システムにおいて、 第１の冷却回路熱交換器と第２の冷却回路熱交換器を備
   えて熱搬送媒体を循環させる中間冷却回路を設け、 前記第１の冷却回路熱交換器には前記燃料電池を冷却し
   前記排熱回収熱交換器を出た冷却媒体の一部もしくは全
   部を通して該燃料電池の冷却回路と前記中間冷却回路と
   の熱交換を可能にし、前記第２の冷却回路熱交換器には
   前記吸収式冷凍機の冷却回路の冷却媒体を通し前記中間
   冷却回路と該吸収式冷凍機の冷却回路との熱交換を可能
   にし、 前記排熱回収熱交換器で回収しきれない熱を前記中間冷
   却回路を介し、さらに前記吸収式冷凍機の冷却回路を介
   して前記室外熱交換器で放熱することを特徴とする燃料
   電池冷却システム。
2. （２）請求項１記載の燃料電池冷却システムにおいて、 燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を計測する過程と、 前記計測温度と前記冷却媒体の設定温度とを比較して、
   該計測温度が高いときは第１の冷却回路熱交換器への該
   冷却媒体流量を増やし、該計測温度が低いときは該第１
   の冷却回路熱交換器への該冷却媒体流量を減らす過程と
   、 を有することを特徴とする燃料電池冷却システムの制御
   方法。