JP6308189B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、発電中に燃料電池の温度が所定の温度を超えないように燃料電池を冷却する冷却機構を備えている。この冷却機構として、冷却水などの冷媒を循環させることにより燃料電池を冷却する液冷式のものが知られている。

特許文献１には、液冷式の燃料電池システムであって、燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水通路と、冷却水を圧送するウォータポンプと、通過する冷却水の温度を低下させるラジエータと、を備えた燃料電池システムが記載されている。

特開２０１０−２６７４７１号公報 特開２００７−３１１０５８号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、一時的に高負荷の運転を行った際に、燃料電池の発熱量が上がり冷却水が一時的に高温になる場合がある。冷却水が一時的に高温になることへの対策として、ラジエータの性能を上げ冷却水の放熱性を確保することが考えられるが、この様な対策をとると、ラジエータが大型化するという問題点がある。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、ラジエータを大型化させることなく、冷却水が一時的に高温になることを抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を低下させるラジエータと、冷媒が前記燃料電池から前記ラジエータに向かって流れる第１流路と、冷媒が前記ラジエータから前記燃料電池に向かって流れる第２流路と、前記第２流路において前記燃料電池へ流入する冷媒温度を検知する流入冷媒温度検知部と、前記ラジエータの下流側の位置と前記第２流路における前記流入冷媒温度検知部よりも上流側の位置とを接続するバイパス流路と、前記バイパス流路の開放と遮断とを切り替える開閉バルブと、前記バイパス流路に設けられ冷媒を貯蔵するリザーブタンクと、前記流入冷媒温度検知部が検知した冷媒温度を用いて前記開閉バルブの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記流入冷媒温度検知部が検知した冷媒温度が予め定められた基準温度を超えた場合に、前記開閉バルブを開けて、前記ラジエータから供給されて前記第２流路を流れる冷媒に対して前記リザーブタンク内に予め貯蔵されていた冷媒を合流させて、前記燃料電池に供給するものである。これにより、ラジエータを大型化させることなく、冷却水が一時的に高温になることを抑制することができる。

また、前記第１流路において前記燃料電池から流出した直後の冷媒温度を検知する流出冷媒温度検知部と、前記第１流路における前記ラジエータよりも上流側の位置と前記リザーブタンク及び前記第２流路とを接続する第２バイパス流路と、前記第１流路と前記第２バイパス流路との接続部に設けられ、前記第１流路から前記ラジエータに流入する冷媒の量及び前記第１流路から前記第２バイパス流路に流入する冷媒の量を調節する三方弁と、をさらに備え、前記制御部は、前記流出冷媒温度検知部が検知した冷媒温度が予め定められた第２基準温度以下である場合に、全ての冷媒が前記第１流路から前記第２バイパス流路に流入するように前記三方弁の開度を調節するものである。これにより、リザーブタンクに低温の冷媒を溜めることができる。

さらに、前記制御部は、前記流出冷媒温度検知部が検知した冷媒温度が予め定められた第２基準温度を超えた場合、全ての冷媒が前記第１流路から前記ラジエータに流入するように前記三方弁の開度を調節するとともに、前記開閉バルブを閉じるものである。これにより、リザーブタンク内に溜まった冷媒を低温に維持することができる。

本発明によれば、ラジエータを大型化させることなく、冷却水が一時的に高温になることを抑制することができる。

本実施の形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本実施の形態にかかる燃料電池システムにおいて、開閉バルブを開けた状態を示す図である。 本実施の形態にかかる燃料電池システムにおいて、流入冷媒温度検知部の検知した冷媒温度に基づいてリザーブタンク３５からの冷媒の供給動作を制御する処理の流れを示すフローチャートである。 本実施の形態にかかる燃料電池システムにおいて、リザーブタンクに低温冷媒を貯蔵する方法の一例について説明する図である。 本実施の形態にかかる燃料電池システムにおいて、リザーブタンクに低温冷媒を貯蔵する方法の一例について説明する図である。 本実施の形態にかかる燃料電池システムにおいて、リザーブタンクに低温冷媒を貯蔵する処理の流れを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。燃料電池システム１は、燃料電池としての燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２を冷却する冷却機構３と、制御部４と、を備えている。

燃料電池スタック２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜などの電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって両側から挟み込んで形成された燃料電池セルを複数枚積層して構成される。燃料電池セルは、アノード電極に水素を含有するアノードガスを供給し、カソード電極に酸素を含む空気を供給すると、触媒反応によりアノード電極で発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード電極へと移動し、カソード電極で水素イオンと酸素とが化学反応を起こすことで発電する。なお、カソード電極で水素イオンと酸素とが化学反応を起こした際に水が生成される。燃料電池スタック２は、燃料電池セルを数百枚積層して構成することにより自動車などの車両の駆動に必要な大電力を得ることができる。

冷却機構３は、ラジエータ３０と、第１流路３１と、第２流路３２と、流入冷媒温度検知部３３と、バイパス流路３４と、リザーブタンク３５と、開閉バルブ３６と、を備えている。ラジエータ３０は、燃料電池スタック２を冷却する冷却水などの冷媒の温度を低下させる。第１流路３１は、冷媒が燃料電池スタック２からラジエータ３０に向かって流れる流路である。第２流路３２は、冷媒がラジエータ３０から燃料電池スタック２に向かって流れる流路である。流入冷媒温度検知部３３は、温度センサであり、第２流路３２において燃料電池スタック２へ流入する直前の冷媒温度を検知する。バイパス流路３４は、ラジエータ３０（ラジエータ３０の冷媒流出口）と第２流路３２における流入冷媒温度検知部３３よりも上流側の位置とを接続する。バイパス流路３４には、冷媒を貯蔵するリザーブタンク３５と開閉バルブ３６とが設けられている。リザーブタンク３５は、バイパス流路３４における開閉バルブ３６の下流側の位置に設けられている。開閉バルブ３６は、バイパス流路３４の開放と遮断とを切り替える。

冷却機構３は、さらに、流出冷媒温度検知部３７と、第２バイパス流路３８と、三方弁３９と、ウォータポンプ４０と、を備えている。流出冷媒温度検知部３７は、第１流路３１において燃料電池スタック２から流出した直後の冷媒温度を検知する。第２バイパス流路３８は、第１流路３１におけるラジエータ３０よりも上流側の位置とリザーブタンク３５及び第２流路３２とを接続する。三方弁３９は、第１流路３１と第２バイパス流路３８との接続部に設けられ、第１流路３１からラジエータ３０に流入する冷媒の量及び第１流路３１から第２バイパス流路３８に流入する冷媒の量を調節する。なお、三方弁３９は、ＯＮ／ＯＦＦ動作によるものであっても、開度が段階的（リニア）に変わるものであってもよい。

ウォータポンプ４０は、第２流路３２における燃料電池スタック２の入口付近に設けられ、冷却機構３において冷媒を循環させる。ウォータポンプ４０は、回転速度によって吐出流量が連続的に変化する。

制御部４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）などを備えたマイクロコンピュータで構成される。制御部４は、流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度に基づいて開閉バルブ３６の開閉を制御する。また、制御部４は、三方弁３９の開度の調節を行う。

次に、流入冷媒温度検知部３３の検知した冷媒温度に基づいてリザーブタンク３５からの冷媒の供給動作を制御する処理について以下で説明する。
燃料電池スタック２の冷却を十分に行うためには、燃料電池スタック２に流入する直前の冷媒温度を所定の温度以下に維持する必要がある。燃料電池スタック２に流入する直前の冷媒温度が出力制限温度（約８５℃）以上になった場合、燃料電池スタック２が過度に温度上昇するのを防ぐために燃料電池スタック２の出力を制限する。

本実施の形態では、燃料電池スタック２へ流入する直前の冷媒温度（流入冷媒温度検知部３３が検知した冷媒温度）が予め定められた基準温度ＴＢを超えた場合に、制御部４が、開閉バルブ３６を開け、ラジエータ３０から供給されて第２流路３２を流れる冷媒に対してリザーブタンク３５内に予め貯蔵されていた冷媒を合流させて、燃料電池スタック２に供給する。基準温度ＴＢは、出力制限温度よりも低い値に設定する。リザーブタンク３５内の冷媒の温度は、例えば−３５〜５７℃である。これにより、燃料電池スタック２に流入する直前の冷媒温度が出力制限温度以上にならないように維持することができる。

図２は、開閉バルブ３６を開けた状態を示す図である。なお、三方弁３９の開度は全ての冷媒が第１流路３１からラジエータ３０に流入するように調節されている。開閉バルブ３６を開けると、図２に示すように、リザーブタンク３５内に予め貯蔵されていた低温冷媒とラジエータ３０を通して放熱させた後の冷媒とが、バイパス流路３４と第２流路３２との接続部Ｐ１において合流する。これにより、ラジエータを大型化させることなく、冷却水が一時的に高温になることを抑制することができる。

特許文献２に記載の燃料電池システムでは、低温の冷却水を貯蔵させておく保温タンクを介して冷却水が流れる流路と、保温タンクを介さずに冷却水が流れる流路（ラジエータを介して冷却水が流れる通常の流路）と、の切り替え可能な２つの流路（閉回路）を備え、燃料電池の温度が所定温度以上になったときに、ラジエータを介して冷却水が流れる通常の流路から、保温タンクを介して冷却水が流れる流路に、流路を切り替えている。しかしながら、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、保温タンクを介して冷却水が流れる流路と、ラジエータを介して冷却水が流れる通常の流路と、のいずれか一方しか冷却水を循環させない。

これに対し、本発明では、ラジエータ３０を通して放熱させた後の冷媒に、さらにリザーブタンク３５内に予め貯蔵されていた低温の冷媒を合流させることで、燃料電池スタック２に流入する直前の冷媒温度を迅速に出力制限温度以下に抑えることができる。これにより、燃料電池システムの運転負荷が一時的に急上昇した際に燃料電池をより十分に冷却することができる。

なお、第２流路３２を流れる冷媒に対しリザーブタンク３５内に予め貯蔵されていた冷媒を供給する制御を、燃料電池スタック２から流出した直後の冷却水の温度、または燃料電池スタック２内部を直接測定した温度に基づいて行うことも考えられるが、燃料電池スタック２へ流入する直前の冷媒温度（流入冷媒温度検知部３３が検知した冷媒温度）に基づいて行うと、よりレスポンス良く制御を行うことができる。このため、燃料電池システム１の運転負荷の急な上昇にも迅速に対応することができる。

燃料電池システム１において、一時的な運転負荷の上昇に対応することが可能な時間はリザーブタンク３５の容量に依存する。例えば、起伏が特に多い米国のハイウェイ７３において、最大勾配６．３％のルートを車速７５マイル／時間で運転しているとすると、このルートを通過するまでに６５秒程度かかる。このような急勾配のルートを車両が通過する間、燃料電池システム１において高負荷運転が継続すると考えられる。そこで、燃料電池システム１の設計において、高負荷運転が継続すると想定される時間の長さに応じてリザーブタンク３５の容量を決めるようにしてもよい。

図３は、流入冷媒温度検知部３３の検知した冷媒温度により開閉バルブ３６の開閉を切り替えする処理の流れを示すフローチャートである。なお、以下の説明で図１についても適宜参照する。図３に示すように、まず、流入冷媒温度検知部３３が検知した冷媒温度（Ｔ２）が予め定められた基準温度ＴＢを超えたか否か判断する（ステップＳ１）。ステップＳ１で流入冷媒温度検知部３３が検知した冷媒温度（Ｔ２）が予め定められた基準温度ＴＢを超えた（Ｔ２＞ＴＢ）と判断された場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、開閉バルブ３６を開ける、もしくは開けられた状態のまま維持する（ステップＳ２）。ステップＳ１で流入冷媒温度検知部３３が検知した冷媒温度（Ｔ２）が予め定められた基準温度ＴＢを超えていない（Ｔ２≦ＴＢ）と判断された場合（ステップＳ１でＮＯの場合）、開閉バルブ３６を閉じる、もしくは閉じられた状態のまま維持する（ステップＳ３）。燃料電池システム１の運転中、ステップＳ１〜Ｓ３の処理を繰り返す。

上述したように開閉バルブ３６の開閉を切り替えすることで、一時的な運転負荷の上昇により冷却機構を循環する冷媒の温度が制限温度を超えてしまうことを防止できる。

次に、リザーブタンク３５に低温冷媒を貯蔵する方法について以下で説明する。
図４及び図５は、リザーブタンク３５に低温冷媒を貯蔵する方法の一例について説明する図である。流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度（Ｔ１）が予め定められた第２基準温度ＴＢ２（運転目標温度：約５７℃）以下である（Ｔ１≦ＴＢ２）場合、図４に示すように、制御部４は、全ての冷媒が第１流路３１から第２バイパス流路３８に流入するように三方弁３９の開度を調節するとともに、開閉バルブ３６を開ける。上述したように、第２バイパス流路３８は、第１流路３１におけるラジエータ３０よりも上流側の位置とリザーブタンク３５及び第２流路３２とを接続する。つまり、流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度（Ｔ１）が第２基準温度ＴＢ２以下である（Ｔ１≦ＴＢ２）ときは、冷却機構３を循環する冷媒の温度が低温であると判断し、第１流路３１からラジエータ３０には冷媒を流入させず、第１流路３１からリザーブタンク３５及び第２流路３２へと冷媒を流入させ、低温の冷媒をリザーブタンク３５内に溜める。リザーブタンク３５内には、−３０〜５７℃程度の低温の冷媒が貯蔵される。なお、第２バイパス流路３８は、第１流路３１におけるラジエータ３０よりも上流側の位置とリザーブタンク３５とを接続するものであってもよい。このようにすると、全ての冷媒が第１流路３１から第２バイパス流路３８を介してリザーブタンク３５に流入する。

一方、流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度（Ｔ１）が予め定められた第２基準温度ＴＢ２を超えた（Ｔ１＞ＴＢ２）場合、図５に示すように、制御部４は、全ての冷媒が第１流路３１からラジエータ３０に流入するように三方弁３９の開度を調節するとともに、開閉バルブ３６を閉じる。つまり、流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度（Ｔ１）が第２基準温度ＴＢ２を超えた（Ｔ１＞ＴＢ２）ときは、冷却機構３を循環する冷媒の温度が比較的高いと判断し、この比較的温度の高い冷媒をリザーブタンク３５内に流入させないようにする。これにより、リザーブタンク３５内に溜まった冷媒を低温に維持することができる。

図６は、リザーブタンク３５に低温冷媒を貯蔵する処理の流れを示すフローチャートである。なお、以下の説明で図１についても適宜参照する。図６に示すように、まず、流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度（Ｔ１）が予め定められた第２基準温度（運転目標温度）ＴＢ２以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１で流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度（Ｔ１）が予め定められた第２基準温度ＴＢ２以下である（Ｔ１≦ＴＢ２）と判断された場合（ステップＳ１０１でＹＥＳの場合）、全ての冷媒が第１流路３１から第２バイパス流路３８に流入するように三方弁３９の開度を調節するとともに、開閉バルブ３６を開ける（ステップＳ１０２）。

ステップＳ１０１で、流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度（Ｔ１）が予め定められた第２基準温度ＴＢ２を超えている（Ｔ１＞ＴＢ２）と判断された場合（ステップＳ１０１でＮＯの場合）、全ての冷媒が第１流路３１からラジエータ３０に流入するように三方弁３９の開度を調節するとともに、開閉バルブ３６を閉じる（ステップＳ１０３）。燃料電池システム１の運転中、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３の処理を繰り返す。

なお、図３の処理フローにおいて、ステップＳ１で流入冷媒温度検知部３３が検知した冷媒温度（Ｔ２）が予め定められた基準温度ＴＢを超えていないと判断された場合に、ステップＳ３で開閉バルブ３６を閉じるようにした。これに対し、図６を用いて説明したフローによりリザーブタンク３５に低温冷媒を貯蔵する処理を行う場合、図３のステップＳ３の処理に対し、図６のステップＳ１０２の処理を優先させる。つまり、流入冷媒温度検知部３３が検知した冷媒温度（Ｔ２）が予め定められた基準温度ＴＢを超えていないと判断され、かつ、流出冷媒温度検知部３７が検知した冷媒温度（Ｔ１）が予め定められた第２基準温度ＴＢ２以下であると判断された場合、全ての冷媒が第１流路３１から第２バイパス流路３８に流入するように三方弁３９の開度を調節するとともに、開閉バルブ３６を開ける。

上述したように、三方弁の開度、及び開閉バルブ３６の開閉を調節することで、リザーブタンク３５に低温の冷媒を溜めることができる。

なお、本発明は上記実施の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、リザーブタンクに低温冷媒を貯蔵する方法は上記実施の形態において説明した方法に限るものではない。

開閉バルブ３６の開閉は、車両に設置されたナビゲーションシステムの位置情報に基づいて行ってもよい。つまり、ナビゲーションシステムによってこれから通過する道の情報（例えば、勾配が急である、など）を入手し、その情報から高負荷運転を予測して開閉バルブ３６の開閉を行ってもよい。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 冷却機構
４ 制御部
３０ ラジエータ
３１ 第１流路
３２ 第２流路
３３ 流入冷媒温度検知部
３５ リザーブタンク

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を低下させるラジエータと、
   冷媒が前記燃料電池から前記ラジエータに向かって流れる第１流路と、
   冷媒が前記ラジエータから前記燃料電池に向かって流れる第２流路と、
   前記第２流路において前記燃料電池へ流入する冷媒温度を検知する流入冷媒温度検知部と、
   前記ラジエータの下流側の位置と前記第２流路における前記流入冷媒温度検知部よりも上流側の位置とを接続するバイパス流路と、
   前記バイパス流路の開放と遮断とを切り替える開閉バルブと、
   前記バイパス流路に設けられ冷媒を貯蔵するリザーブタンクと、
   前記流入冷媒温度検知部が検知した冷媒温度を用いて前記開閉バルブの動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記流入冷媒温度検知部が検知した冷媒温度が予め定められた基準温度を超えた場合に、前記開閉バルブを開けて、前記ラジエータから供給されて前記第２流路を流れる冷媒に対して前記リザーブタンク内に予め貯蔵されていた冷媒を合流させて、前記燃料電池に供給し、
   前記第１流路において前記燃料電池から流出した直後の冷媒温度を検知する流出冷媒温度検知部と、
   前記第１流路における前記ラジエータよりも上流側の位置と前記リザーブタンク及び前記第２流路とを接続する第２バイパス流路と、
   前記第１流路と前記第２バイパス流路との接続部に設けられ、前記第１流路から前記ラジエータに流入する冷媒の量及び前記第１流路から前記第２バイパス流路に流入する冷媒の量を調節する三方弁と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記流出冷媒温度検知部が検知した冷媒温度が予め定められた第２基準温度以下である場合に、全ての冷媒が前記第１流路から前記第２バイパス流路に流入するように前記三方弁の開度を調節する、燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記流出冷媒温度検知部が検知した冷媒温度が予め定められた第２基準温度を超えた場合、全ての冷媒が前記第１流路から前記ラジエータに流入するように前記三方弁の開度を調節するとともに、前記開閉バルブを閉じる請求項１に記載の燃料電池システム。

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