JP2006114458A - 燃料電池用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の運転停止時または起動時における冷媒ポンプの消費電力を削減し、燃料電池の起動を容易にする。
【解決手段】 燃料電池１の運転停止時に、空気抜きバルブ４の大気連通を遮断して、給排ポンプ８により冷媒を燃料電池１から貯蔵タンク９へ排出する。このとき、燃料電池１内は、まだ比較的高温であり、冷媒の蒸気圧が高い状態で冷媒が貯蔵タンク９へ排出される。起動時に温度が低下していると、燃料電池１内の冷媒蒸気圧は低下し、貯蔵タンク９から燃料電池１内へ冷媒を供給するときに、給排ポンプ８の消費電力が低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池用冷却装置に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

固体高分子型燃料電池では、発電の電気化学反応により水素と酸素から水が生成されるため、運転停止後に氷点下で放置されると燃料電池内部に残留する水が凍結してガス流路を閉塞し、再始動が困難になる。

この対策としては、燃料電池の熱容量を低減し、起動の際に燃料電池の昇温を早めることで氷を融解することが考えられる。具体策としては、特許文献１や特許文献２にあるように、燃料電池の停止動作中に冷却液を燃料電池の外部へ排出し、停止中は燃料電池外部のタンクに冷媒を貯蔵しておき、燃料電池の起動後に冷媒を燃料電池内に供給する方法がある。通常は、燃料電池を構成するカーボン、金属等の部材よりも比熱の大きい液体が一般的に冷媒として使用されているため、この方法によれば起動中の燃料電池の熱容量を低減することができる。
特公平０７−０９９６９８号公報（第３頁、図１） 特開２００３−３３１８９４号公報（第４頁、図１）

しかしながら、上記従来の燃料電池システムでは、燃料電池から冷媒の排出や供給の際に冷媒をポンプ等で圧送する必要があり、燃料電池から十分な電力を取り出せない燃料電池の起動や停止の過程において補機負荷が高まる。したがって、燃料電池による電力を補うために二次電池等を備えていても、低温では二次電池等による電力の供給も困難になるため、氷点下においては外気温の低下につれて、燃料電池が起動できない場合が生じるという問題点があった。

また、燃料電池内冷媒通路に凹凸があると、冷媒を燃料電池内に供給する際に冷媒通路内に空気が残留する部分ができてしまう。冷媒配管内に空気が残留すると、熱伝達量が低下して燃料電池の冷却が困難になるため、熱による燃料電池の劣化が進行してしまうという問題点があった。

上記問題点を解決するため、本発明は、冷媒の燃料電池内からの排出と燃料電池内への供給を行う手段と、冷媒と大気とを連通させるための開閉機構とを備えた燃料電池用冷却装置であって、前記開閉機構を閉じた状態で冷媒の燃料電池内からの排出と冷媒の燃料電池内への供給を行うこと、および冷媒の燃料電池内への供給を燃料電池の温度が冷媒排出の際の燃料電池の温度よりも低い状態で行うことを要旨とする燃料電池用冷却装置である。

本発明によれば、燃料電池の冷媒配管に冷媒を供給する際に、冷媒配管内は負圧となるため、冷媒供給手段の負荷を軽減しつつ、冷媒配管中への空気の残留を抑制することができるという効果がある。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両に好適な実施例である。

図１は、本発明に係る燃料電池用冷却装置の実施例１の構成を説明する概略構成図である。図１において、燃料電池１は冷却対象の燃料電池であり、例えば、固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１の内部には、図示しない冷媒流路が設けられ、発電に伴う反応熱や燃料電池１の内部抵抗によるジュール熱を冷媒流路に流れる冷媒により冷却可能となっている。

この冷媒は、氷点下でも凍結しない冷媒であり、たとえば、精製水にエチレングリコール等の凍結温度低下剤を添加したものである。冷媒のエチレングリコール濃度を調整することにより、冷媒として使用可能な下限温度を制御することができる。

尚、燃料電池１に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するガス供給系は、本発明の主旨と直接関係がないので、図示を省略してある。

ラジエータ２は、冷媒の熱を系外へ放熱する熱交換器であり、図示しないラジエータファンを設けてもよい。冷媒循環用ポンプ３は、燃料電池１とラジエータ２との間で冷媒を循環させるポンプである。空気抜きバルブ４は、冷媒循環路から空気抜きを行うためのバルブであるとともに、燃料電池１から冷媒を抜き取るときに、冷媒循環路を密閉するバルブである。循環路バルブ５は、冷媒循環路を開閉するバルブである。温度センサ６は燃料電池の温度を測定するためのセンサである。給排路バルブ７は、燃料電池１から冷媒を排出したり燃料電池１へ冷媒を供給するバルブである。給排ポンプ８は、冷媒の供給排出用のポンプである。貯蔵タンク９は、燃料電池１から排出した冷媒を貯蔵するためのタンクである。冷媒量センサ１０は貯蔵タンク９中の冷媒の量を測定するセンサである。

コントローラ２０は、温度センサ６の検出値、及び冷媒量センサ１０の検出値に基づいて、循環ポンプ３，給排ポンプ８，空気抜きバルブ４，循環路バルブ５，及び給排路バルブ７を制御することにより、燃料電池１からの冷媒の排出、燃料電池１への冷媒の供給、及び冷媒の循環の制御を行う制御装置である。

尚、特に限定されないが、本実施例では、コントローラ２０は、ＣＰＵ、プログラムＲＯＭ、作業用ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

図２（ａ）は燃料電池運転停止プロセス中の冷媒処理を示すフローチャートである。このフローチャートが始まるときの初期状態は、燃料電池１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止し、発電停止している状態であり、循環ポンプ３が運転中、給排ポンプ８は停止、空気抜き弁４は、外気と冷媒流路を遮断しているとともに、図中左右方向へ冷媒循環路を開いているものとする。また、循環路バルブ５は開状態、給排路バルブ７は閉状態である。

図２（ａ）の停止プロセス中の冷媒処理において、まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０で、温度センサ６が検出した燃料電池温度が所定の冷却終了温度（例えば、７０〔℃〕）を下回ったか否かが判定される。燃料電池温度が冷却終了温度以上であれば、Ｓ１０へ戻って、冷却待ちを行う。

Ｓ１０の判定で、燃料電池温度が所定の冷却終了温度未満まで低下していれば、Ｓ１２へ進み、循環ポンプ３を停止させる。この冷却停止温度は、冷媒の循環を停止しても燃料電池１の内部の残留熱による高分子電解質膜の温度が耐熱温度を超えない温度とし、実機により実験的に決定して、コントローラ２０に記憶させておくものとする。次いで、Ｓ１４で、冷媒循環路上の空気抜きバルブ４を３方向に対して閉じるとともに、循環路バルブ５を閉じる。

その後、Ｓ１６で給排路バルブ７を開き、Ｓ１８で冷媒給排用の給排ポンプ８の運転を開始する。この際、給排ポンプ８は、冷媒を燃料電池１から貯蔵タンク９へ送る方向に作動させる。給排ポンプ８の運転中は、貯蔵タンク９中の冷媒量センサ１０により貯蔵タンク９中の冷媒の量を監視する。

次いで、Ｓ２０で、貯蔵タンク９内の冷媒量が燃料電池１内の冷媒のほぼ全量が排出されたと判断される所定の量に達したら、Ｓ２２へ進み、給排路バルブ７を閉じ、Ｓ２４で給排ポンプ８を停止し、停止プロセス中の冷媒処理を終了する。

図２（ｂ）は、燃料電池の起動プロセス中の冷媒処理を示すフローチャートである。このフローチャートが始まるときの初期状態は、循環ポンプ３及び給排ポンプ８は停止、空気抜き弁４は、３方向へ閉じているとともに、循環路バルブ５及び給排路バルブ７は閉状態である。また、燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、発電を開始し、反応熱で燃料電池１の温度が上昇し始めている状態である。

図２（ｂ）の起動プロセス中の冷媒処理では、まず、Ｓ３０において、温度センサ６が検出した燃料電池温度が所定の冷却開始温度（例えば、２０〔℃〕）以上か否かを判定する。この冷却開始温度は、図２（ａ）のＳ１０における冷却終了温度（例えば、７０〔℃〕）より低い温度であり、且つ、燃料電池１が継続して発電可能と判断される温度で、実機により実験的に決定して、コントローラ２０に記憶させておくものとする。

Ｓ３０の判定で、燃料電池温度が冷却開始温度未満であれば、Ｓ３０へ戻る。Ｓ３０の判定で、燃料電池温度が冷却開始温度以上であれば、Ｓ３２へ進み、給排路バルブ７を開く。次いでＳ３４で、給排ポンプ８を運転して、貯蔵タンク９から燃料電池１へ冷媒を供給する。この際の給排ポンプ８の運転方向は、冷媒を貯蔵タンク９から燃料電池１へ送る方向である。給排ポンプ８の運転中は、貯蔵タンク９中の冷媒量を冷媒量センサ１０により監視する。

次いで、Ｓ３６で、冷媒量センサ１０が検出した貯蔵タンク９内の冷媒量が燃料電池１内が冷媒でほぼ満たされたと判断される所定量（最小量）に達したら、Ｓ３８で給排路バルブ７を閉じ、Ｓ４０で給排ポンプ８を停止する。その後、Ｓ４２で循環路バルブ４および空気抜きバルブ５を開き、Ｓ４４で循環ポンプ３の運転を開始する。

上記の燃料電池１から冷媒を排出する動作の開始から、燃料電池停止期間中、及び冷媒を貯蔵タンク９から燃料電池１へ供給完了するまでは、冷媒循環路上の空気抜きバルブ４は、大気に対して冷媒を密閉する状態にしておく。ただし、密閉の程度については、本実施例の効果に低下があるものの、完全でなくともよい。

以上説明したように、本実施例によれば、燃料電池内部の冷媒流路に冷媒を供給する際に、燃料電池内の冷媒流路の温度が冷媒排出時より低く、すなわち冷媒の蒸気圧が低いために、冷媒流路内が負圧となり、貯蔵タンクから燃料電池へ冷媒を供給する給排ポンプの負荷を軽減してその消費電力を低減しつつ、冷媒流路中への空気の残留を抑制することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池用冷却装置の実施例２を説明する。実施例２の構成は、図１に示した実施例１の構成と同様である。また、実施例２における燃料電池の起動プロセス中の冷媒処理制御については、図２（ｂ）に示した実施例１と同様である。

実施例１の図２（ａ）の停止プロセス中の冷媒処理制御では、事前に燃料電池の発電を停止していたが、本実施例では、燃料電池の停止プロセスにおいて、燃料電池１の発電は継続させるが発電量を減少させる動作をまず行う。その後は、実施例１と同様の動作を行う。最後に、燃料電池１から冷媒を排出する給排ポンプ８が停止してから、燃料電池１の発電を停止する。

図３は、実施例２における燃料電池停止プロセス中の冷媒処理制御フローチャートである。このフローチャートが始まるときの初期状態は、循環ポンプ３が運転中、給排ポンプ８は停止、空気抜き弁４は、外気と冷媒流路を遮断しているとともに、図中左右方向へ冷媒循環路を開いているものとする。また、循環路バルブ５は開状態、給排路バルブ７は閉状態である。

まず、図３のＳ５０において、燃料電池の発電量を低減する。これには、燃料電池１に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力及び流量を低減する。この低減の程度は、例えば、循環ポンプ３または給排ポンプ８の駆動に必要な電力を燃料電池１の発電電力によって賄える程度とする。

次いで、Ｓ５２で、温度センサ６が検出した燃料電池温度が所定の冷却終了温度を下回ったか否かが判定される。燃料電池温度が冷却終了温度以上であれば、Ｓ５２へ戻って、冷却待ちを行う。

Ｓ５２の判定で、燃料電池温度が所定の冷却終了温度未満まで低下していれば、Ｓ５４へ進み、循環ポンプ３を停止させる。この冷却停止温度は、冷媒の循環を停止しても燃料電池１の内部の残留熱による高分子電解質膜の温度が耐熱温度を超えない温度とし、実機により実験的に決定して、コントローラ２０に記憶させておくものとする。次いで、Ｓ５６で、冷媒循環路上の空気抜きバルブ４を３方向に対して閉じるとともに、循環路バルブ５を閉じる。

その後、Ｓ５８で給排路バルブ７を開き、Ｓ６０で冷媒給排用の給排ポンプ８の運転を開始する。この際、給排ポンプ８は、冷媒を燃料電池１から貯蔵タンク９へ送る方向に作動させる。給排ポンプ８の運転中は、貯蔵タンク９中の冷媒量センサ１０により貯蔵タンク９中の冷媒の量を監視する。

次いで、Ｓ６２で、貯蔵タンク９内の冷媒量が燃料電池１内の冷媒のほぼ全量が排出されたと判断される所定の量に達したら、Ｓ６４へ進み、給排路バルブ７を閉じ、Ｓ６６で給排ポンプ８を停止する。最後に、Ｓ６８で燃料電池１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給、及び発電を停止して、停止プロセスを終了する。

以上説明したように、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、燃料電池の温度がある程度高いうちに、燃料電池の冷媒流路から冷媒を排出することで、冷媒流路内の蒸気圧が高い状態で冷媒を排出することが可能になるため、燃料電池の冷媒流路から冷媒を排出する際の冷媒排出手段の負荷を軽減することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池用冷却装置の実施例３を説明する。図４は、実施例３の燃料電池用冷却装置の構成を説明する概略構成図であり、図５は実施例３における燃料電池起動プロセス中の冷媒処理の制御フローチャートである。燃料電池の停止プロセス中の冷媒処理については、図２（ａ）に示した実施例１と同一である。

実施例３では、実施例１の構成に加えて、冷媒循環路上に冷却手段として、マニホールド冷却装置１１およびマニホールド冷却装置１２を備える構成となっている。マニホールド冷却装置１１は、燃料電池１と空気抜きバルブ４との間の冷媒排出マニホールドを冷却するもので、マニホールド冷却装置１２は、燃料電池１と循環路バルブ５との間の冷媒導入マニホールドを冷却するものである。マニホールド冷却装置１１，１２は、それぞれペルチエ効果を応用した電子冷却装置や放熱フィンと冷却ファンとの組み合わせ等が利用可能である。

本実施例では、燃料電池の起動プロセスにおいて、燃料電池１への冷媒の供給を開始する前に、マニホールド冷却装置１１およびマニホールド冷却装置１２を作動させ、冷媒マニホールドを冷却する。その後は、実施例１と同じ動作を行い、最終的に循環ポンプ３の運転を開始させてから、マニホールド冷却装置１１およびマニホールド冷却装置１２の動作を停止する。

図５の本実施例における燃料電池の起動プロセス中の冷媒処理が始まるときの初期状態は、循環ポンプ３及び給排ポンプ８は停止、空気抜き弁４は、３方向へ閉じているとともに、循環路バルブ５及び給排路バルブ７は閉状態である。また、燃料電池１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され、発電を開始し、反応熱で燃料電池１の温度が上昇し始めている状態である。

図５の起動プロセス中の冷媒処理では、まず、Ｓ７０において、温度センサ６が検出した燃料電池温度が所定の冷却開始温度以上か否かを判定する。この冷却開始温度は、燃料電池１が継続して発電可能と判断される温度であり、実機により実験的に決定して、コントローラ２０に記憶させておくものとする。

Ｓ７０の判定で、燃料電池温度が冷却開始温度未満であれば、Ｓ７０へ戻る。Ｓ７０の判定で、燃料電池温度が冷却開始温度以上であれば、Ｓ７２へ進み、マニホールド冷却装置１１，１２を運転して、冷媒マニホールドを冷却する。

次いで、Ｓ７４で、給排路バルブ７を開く。次いで、Ｓ７６で給排ポンプ８を運転して、貯蔵タンク９から燃料電池１へ冷媒を供給する。この際の給排ポンプ８の運転方向は、冷媒を貯蔵タンク９から燃料電池１へ送る方向である。給排ポンプ８の運転中は、貯蔵タンク９中の冷媒量を冷媒量センサ１０により監視する。

次いで、Ｓ７８で、冷媒量センサ１０が検出した貯蔵タンク９内の冷媒量が燃料電池１内が冷媒でほぼ満たされたと判断される所定量（最小量）に達したら、Ｓ８０で給排路バルブ７を閉じ、Ｓ８２で給排ポンプ８を停止する。その後、Ｓ８４で循環路バルブ４および空気抜きバルブ５を開き、Ｓ８６で循環ポンプ３の運転を開始する。最後に、Ｓ８８でマニホールド冷却装置１１，１２を停止して、起動プロセス中の冷媒処理を終了する。

以上説明したように本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、燃料電池内部を通過することで反応熱により昇温された冷媒による燃料電池外部の冷媒配管部の昇温が防止されるので、冷媒配管に冷媒を供給する際に、特に燃料電池外部の冷媒配管中への空気の残留を抑制することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池用冷却装置の実施例４を説明する。実施例４の構成は、図１の実施例１の構成に加えて、燃料電池の発電停止中の外気温度の最低値を予測する外気温度予測手段を備えている。

外気温度予測手段は、例えば、車両に備えた移動電話機や移動通信機から気象予報サイトに接続して停車地域の予想最低低気温を取得する方法や、停車時刻とそのときの外気温度から最低気温を予想する方法がある。

本実施例では、燃料電池の運転停止プロセスにおいて、まず外気温予測手段を動作させて、燃料電池停止後の外気温度の最低値を予測する。次に予測された外気温の最低値と燃料電池に凍結が発生すると判断される凍結温度との比較を行う。そして、予測外気温最低値が凍結温度よりも低い場合に、燃料電池１からの冷媒の排出動作を行う。ここで、凍結温度は、０〔℃〕若しくは、外気温予測手段の誤差や放射冷却のために外気温度よりも燃料電池車両温度が低下することを考慮して、０〔℃〕よりある程度（１〜２〔℃〕）高い値とする。燃料電池の起動プロセスについては、図２（ｂ）に示した実施例１と同一である。

次に、図６を参照して、本実施例における燃料電池停止プロセス中の冷媒処理について説明する。まず、Ｓ９０で、外気温度予測手段により、停車中の外気温度（Ｔａ）を予測する。次いで、Ｓ９２で外気温度予測値の最低値（Ｔａ最低値）が凍結温度以下であるか否かを判定する。Ｓ９２の判定で、Ｔａ最低値が凍結温度以下であれば、Ｓ９４の冷媒排出プロセスを実行する。Ｓ９２の判定で、Ｔａ最低値が凍結温度を超えていれば、何もせずにプロセスを終了する。Ｓ９４の冷媒排出プロセスは、図２（ａ）のＳ１０からＳ２４までの処理と同様である。

以上説明したように、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、燃料電池停止時に外気温の最低値を予測し、予測外気温の最低値が燃料電池の凍結可能性を示す場合のみに冷媒の排出と供給を行うことになり、冷媒の排出と供給を実施する回数が減るため、燃料電池の起動停止時間の短縮と起動停止動作中の燃料電池の効率改善を図ることができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池用冷却装置の実施例１の構成を説明する概略構成図である。 実施例１におけるコントローラの制御フローチャートである。 実施例２におけるコントローラの制御フローチャートである。 本発明に係る燃料電池用冷却装置の実施例３の構成を説明する概略構成図である。 実施例３におけるコントローラの制御フローチャートである。 実施例４におけるコントローラの制御フローチャートである。

符号の説明

１：燃料電池
２：ラジエータ
３：循環ポンプ
４：空気抜きバルブ
５：循環路バルブ
６：温度センサ
７：給排路バルブ
８：給排ポンプ
９：貯蔵タンク
１０：冷媒量センサ
２０：コントローラ

Claims (4)

1. 冷媒の燃料電池内からの排出と燃料電池内への供給を行う手段と、冷媒と大気とを連通させるための開閉機構とを備えた燃料電池用冷却装置であって、
   前記開閉機構を閉じた状態で冷媒の燃料電池内からの排出と冷媒の燃料電池内への供給を行うこと、および冷媒の燃料電池内への供給を燃料電池の温度が冷媒排出の際の燃料電池の温度よりも低い状態で行うことを特徴とする燃料電池用冷却装置。
2. 前記燃料電池内からの冷媒の排出動作を、燃料電池が発電中に行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。
3. 燃料電池外部の冷媒配管を冷却する手段を備え、
   燃料電池内への冷媒の供給動作中に、燃料電池外部の冷媒配管の冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。
4. 外気温を予測する外気温度予測手段を備え、
   燃料電池停止動作時に、前記外気温度予測手段が予測する最低気温が所定の温度よりも低い場合に、燃料電池内から冷媒の排出動作を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用冷却装置。

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