JP4066361B2 - 燃料電池の冷却システム - Google Patents
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Description
ここで、イオン除去フィルタは、例えば、イオン交換樹脂などからなり、熱交換器、燃料電池スタック、冷却液通路管壁及びポンプから冷却液に溶出した金属などの導電性イオンを除去して燃料電池と車体アース間との絶縁抵抗の減少を防止している。
それにより、燃料電池運転開始の際の冷却液の不純物を低減し、運転開始に要する時間を短縮することが可能となって具合がよい。不純物としては、例えば、熱交換器(例えば、車載あるいは非移動体のラジエータ)、配管、燃料電池スタック(イオン交換膜、セパレータ)などから溶出した導電性イオンやその他の溶出物が挙げられる。
冷却液は、例えば、純水、純水に添加剤を加えたもの、水以外の冷却用液体等を使用することができる。除去装置としては、例えば、イオン交換樹脂をフィルタとしたもの、イオン交換樹脂と微粒子を除去するフィルタとを組み合わせたものなどを使用することが出来る。
それにより、燃料電池の運転停止状態においても冷却液の状態を監視し、冷却液の不純物の状態(例えば、不純物濃度)が冷却液の絶縁抵抗等の見地からの許容値を超える前に燃料電池を動作させて冷却液の不純物除去動作等を行うことを可能とする。
この構成によれば、蓄電池(二次電池)を有しない場合や蓄電池の残容量(残電気量)が少ない場合にもポンプを動作させることが出来る。
それにより、燃料電池の運転が停止した状態においても冷却液中の不純物の状態(例えば、不純物濃度)を監視し、不純物が所定値を越えると燃料電池を停止したままポンプを作動させて冷却液を除去装置に循環させて不純物を除去する。省エネルギと不純物除去とを両立し得る。
不純物(イオン)の冷却液中の経過時間と冷却液温度をパラメータとする不純物溶出濃度(イオン濃度あるいは冷却液の導電率)特性を予め実験やシミュレーションなどによって求めてシステムの制御装置の不揮発メモリなどに記憶しておき、経過時間と温度によって不純物(イオン)の溶出量を推定することが出来る。
それにより、例えば、推定不純物量に基づいて燃料電池の運転停止状態あるいは運転開始の際に注意表示を行って冷却液中の不純物除去を促したり、不純物除去装置を動作させることが可能となる。
また、本発明の燃料電池の冷却システムは、ポンプによって冷却液を燃料電池に供給して該燃料電池の温度を調節する冷却装置と、上記冷却液の冷却液通路に設けられて上記冷却液中の不純物を除去する除去装置と、を含む燃料電池の冷却システムにおいて、上記冷却液中の不純物の量を上記ポンプの停止からの経過時間に基づいて推定する不純物量推定手段を備えたことを特徴とする。
かかる構成とすることによって、燃料電池の停止状態あるいは燃料電池搭載車両の停止状態であっても、冷却液中の不純物濃度の増加を予測してポンプを所定時間作動させて冷却液中の不純物濃度の増加を抑制することが可能となる。
また、本発明の燃料電池の冷却システムは、ポンプによって冷却液を燃料電池に供給して該燃料電池の温度を調節する冷却装置と、上記冷却液の冷却液通路に設けられて上記冷却液中の不純物を除去する除去装置と、上記燃料電池のポンプの停止状態において上記冷却液通路内の冷却液を上記除去装置に流通させる流通手段と、を備える燃料電池の冷却システムにおいて、上記流通手段は、上記冷却液中の不純物の量を上記システムの停止からの経過時間に基づいて推定する不純物量推定手段と、推定された不純物量が所定値を越えるときに上記ポンプを作動させるポンプ制御手段と、を含む。
本発明の実施の形態においては、燃料電池が発電を停止している状態においても、冷却液を流通(あるいは流動化)させて不純物除去装置としてのイオン除去フィルタを通過させることによって冷却液中に溶出したイオン、微粒子などの不純物濃度の増加を抑制する。冷却液の流動化は、例えば、第1の発明のグループ(第1乃至第5の実施例)では燃料電池の冷却液のウオータポンプ(駆動ポンプ)の間欠的な動作による循環によって行われる。この間欠的な動作は冷却液中の不純物の状態、例えば、導電率や不純物濃度に対応して行うことが出来る。また、第2の発明のグループ(第6乃至第14の実施例)では燃料電池の冷却液の流動化は冷却液の温度差による対流によって行われる。なお、複数の実施例を適宜に組み合わせても良い。
制御部30は燃料電池13の運転停止状態あるいは燃料電池搭載車両システムの停止状態においても冷却液12の不純物イオン濃度(導電率)を監視している。すなわち、燃料電池の停止状態あるいは車両システムの指定状態において、内部のタイマの周期的に発生する割り込み出力によって「ウオータポンプ間欠的動作制御」を実行する(S12;Yes)。
制御部30は、燃料電池システムの運転停止直後の冷却液12の不純物イオン濃度(導電率)が基準値ρmaxを下回り(S16;No)、基準値ρminも下回る状態では(S22;Yes)、ウオータポンプ16が停止状態にあることを確認して(S24;No)、本制御からリターンする(S29)。
制御部30は、ウオータポンプ16が動作してイオン除去フィルタ17によって冷却液12中の不純物イオンが除去され、冷却液12中の不純物イオン濃度が減少して基準値ρmax未満であるが(S16;No)、基準下限値ρmin以上である場合(S22;No)、燃料電池13及びウオータポンプ16の動作を継続させて本制御からリターンする(S16,S22,S29)。
この第3の実施例によれば導電率検出計41及びそれに関連する制御系は不要となる。ウオータポンプ16は間欠的動作であるので蓄電池42の残容量の消耗を少なくすることが可能となる。
この実施例によれば、廃熱を活用して冷却液12に対流を生じさせることが出来る。
図15に示すように、ウオータポンプ16とイオン除去フィルタ17との間の冷却液通路14内部に一対の電極71及び72が対向して配置されている。これら電極にはスイッチ73を介して蓄電池42から電圧が印加可能とされている。ラジエータ11、燃料電池13、冷却液通路14、ロータリバルブ15、ウオータポンプ16等の構成は図1の例と同様である。
この実施例では、冷却液12に対流を生じさせる熱源として熱交換器であるラジエータ11を活用している。ラジエータ11、燃料電池13、冷却液通路14、ロータリバルブ15、ウオータポンプ16等の構成は図1の例と同様である。
この実施例は図19に示した実施例に使用したフィン付きのイオン除去フィルタ18を冷却液サブ流路22に設けた構成とし、フィン周囲の外気等の熱源によって冷却液に温度差を生ぜしめ、冷却液サブ流路に対流を生じさせている。それにより燃料電池13の停止状態あるいは燃料電池搭載車両のシステム停止状態であっても、冷却液がイオン除去フィルタを循環するようにしている。
この実施例ではラジエータ内にイオン除去フィルタを設けている。上述した各実施例においてラジエータ11が使用されている。このラジエータ11にイオン除去フィルタ17を配置すれば燃料電池の冷却システムの構成を大きく変えることなく冷却液中の不純物イオンを除去することが可能となる。ラジエータは車両前方などの通風の良い場所に配置され、外気温度変化を取り入れ易い。
そこで、この実施例では、燃料電池13の運転停止時にラジエータ11によって冷却液通路14内に温度差を発生させ、対流を起こさせるようにする。温度差は車載の場合、ラジエータ11の配置、ラジエータ11に当る風の流れの設計などによって適宜設定することが可能である。イオン交換樹脂171を装着した細管114と冷却液流路との間に温度差を与えるとラジエータ11内の冷却液12に対流が生じる。冷却液12がイオン交換樹脂171を通過して循環することによって冷却液12のイオン濃度(導電率)を低下させることが可能となる。
また、上述したウオータポンプの複数の制御モードを備えてこれを切替えて使用しても良い。例えば、ウオータポンプへの電力供給源を蓄電池の残容量や蓄電池の状態に対応して蓄電池から燃料電池に切替えても良い(例えば、図2及び図5参照)。例えば、蓄電池の故障や過放電などの不具合な状態に対応して燃料電池を起動させることとしても良い。
Claims (14)
- 冷却液によって冷却される燃料電池と、
前記冷却液の温度を低下させる熱交換器と、
前記燃料電池と前記熱交換器の相互間を前記冷却液が循環し得るように接続する冷却液通路と、
前記冷却液通路の前記冷却液中の不純物を除去する除去装置と、
前記冷却液通路の冷却液を前記燃料電池及び前記除去装置に循環させるポンプと、
前記燃料電池の運転停止を継続している状態において前記冷却液通路内の冷却液を前記除去装置に流通させる流通手段と、
を備える燃料電池の冷却システム。 - 前記流通手段は、前記冷却液の不純物の状態を検出する不純物検出手段と、前記燃料電池の運転停止を継続している状態において前記不純物が所定値以上検出されたときに前記燃料電池を起動させる起動制御手段と、を備え、
前記燃料電池によって前記ポンプを動作させる、請求項1に記載の燃料電池の冷却システム。 - 前記流通手段は、前記冷却液の不純物の状態を検出する不純物検出手段と、前記燃料電池の運転停止を継続している状態において前記不純物が所定値以上検出されたときに前記ポンプを作動させるポンプ制御手段と、を備える請求項1に記載の燃料電池の冷却システム。
- 更に、前記ポンプに電力を供給する蓄電池を備え、
前記ポンプ制御手段は、前記蓄電池の残容量又は状態に基づいて前記ポンプの作動量を制御する請求項3記載の燃料電池の冷却システム。 - 前記不純物検出手段は、前記冷却液の不純物の変化をポンプの停止からの経過時間に基づいて判断する請求項2又は3に記載の燃料電池の冷却システム。
- 前記不純物検出手段は、前記冷却液の不純物の変化をポンプの停止からの経過時間及び前記冷却液の温度に基づいて判断する請求項2又は3に記載の燃料電池の冷却システム。
- 前記流通手段は、冷却液通路内の一部の冷却液と他の冷却液との間に温度差を生ぜしめる温度差発生手段を含む請求項1記載の燃料電池の冷却システム。
- 前記温度差発生手段は、前記冷却液通路の外部の熱エネルギを前記冷却液通路内に伝熱させる伝熱手段である請求項7記載の燃料電池の冷却システム。
- 前記伝熱手段が、前記外部の熱エネルギを前記冷却液通路内に伝熱させる熱交換器を含む請求項8記載の燃料電池の冷却システム。
- 前記温度差発生手段が、発熱体又は吸熱体である請求項7記載の燃料電池の冷却システム。
- 前記温度差発生手段が、前記冷却液通路に設けられて前記燃料電池の運転状態において熱を蓄積する蓄熱装置である請求項7記載の燃料電池の冷却システム。
- 前記蓄熱装置が前記冷却液を蓄積する冷却液蓄積装置であって、温度差を生じさせるときは前記燃料電池の運転状態において蓄積した冷却液を前記冷却液通路に供給する供給装置を備える請求項11記載の燃料電池の冷却システム。
- 前記除去装置を冷却装置としての前記熱交換器に設ける請求項1に記載の燃料電池の冷却システム。
- ポンプによって冷却液を燃料電池に供給して該燃料電池の温度を調節する冷却装置を含む燃料電池の冷却システムであって、
前記冷却液中の不純物の量を前記ポンプの停止からの経過時間に基づいて推定する不純物量推定手段を備え、
前記不純物量推定手段は前記冷却液における時間経過に対する不純物濃度増加特性を冷却液温度をパラメータとして複数保持し、前記システム停止からの経過時間と前記冷却液の温度に基づいて対応する不純物濃度を当該特性から推定する、燃料電池の冷却システム。
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