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JP7396312B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システムに関する。
燃料電池(FC)は、1つの単セル又は複数の単セル(以下、セルと記載する場合がある)を積層した燃料電池スタック(以下、単にスタックと記載する場合がある)に、水素等の燃料ガスと酸素等の酸化剤ガスとの電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、実際に燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスは、酸化・還元に寄与しないガスとの混合物である場合が多い。特に酸化剤ガスは酸素を含む空気である場合が多い。
なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。また、単セル、及び、単セルを積層した燃料電池スタックのいずれも、燃料電池と呼ぶ場合がある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を備える。
膜電極接合体は、固体高分子型電解質膜(以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ)の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層(GDL、以下単に拡散層と記載する場合がある)が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA)と称される場合がある。
単セルは、必要に応じて当該膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを有する。セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは電子伝導性を持ち、発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極(アノード)では、ガス流路及びガス拡散層から供給される燃料ガスとしての水素(H)が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極(カソード)へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸化剤ガスとしての酸素(O)は、カソードの触媒層でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。
燃料電池車両(以下車両と記載する場合がある)に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。固体高分子電解質膜は、通常、80℃程度の動作温度で作動するため、通常運転時には、燃料電池本体で発生する反応熱を冷却液を介して外部に放熱して運転温度を維持するとともに、低温起動時には、速やかに冷却液を運転温度まで加熱することが望まれる。
例えば特許文献1では、ラジエータとリザーブタンクの間に開閉弁を設け、スタック温度が高くないときには弁を閉じることでリザーブタンク内に温度の低い冷却水を閉じ込め、スタック温度が上昇した時に弁を開放してリザーブタンク内の低温の冷却水をスタックの冷却に利用する、という技術が開示されている。
特許文献2では、燃料電池本体を冷却する不凍液の劣化を軽減し、且つ、ラジエータの放熱負荷を軽減する燃料電池システムが開示されている。
特許文献3では、燃料電池および車両制御システムを搭載した車両において、前記燃料電池と前記車両の負荷回路との間の接続が前記車両の車両制御システムが発する遮断信号コマンドで遮断された際にその燃料電池の温度を雰囲気温度のレベルまで冷却する冷却システムが開示されている。
特開2017-054648号公報 特開2004-039560号公報 特開2014-197543号公報
上記特許文献1の冷却回路の構造および制御では、速やかな冷却には対応しているものの、低温時の速やかな加熱ができない虞がある。低温時の速やかな加熱には、冷却系の熱容量を小さくすること、すなわち冷却系の体積を小さくすることが必要である。上記特許文献1では、ラジエータを迂回するバイパス経路があり、低温時のみバイパス経路を用いることで冷却系の体積を小さくできる可能性はある。しかし、バイパス経路と、バイパス経路からリザーブタンクにつながる経路と、が並列回路となっており、冷却水がリザーブタンクにも回る可能性が高い。そのため、冷却系の体積が大きくなり、速やかな加熱を妨げる虞がある。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、高温時の燃料電池の速やかな冷却と、システム起動時の燃料電池の速やかな加熱とを両立することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、燃料電池、ラジエータ、温度計、リザーブタンク、第1流路(上流配管)、第2流路(下流配管)、三方弁、第3流路(バイパス配管)、冷媒循環ポンプ、第4流路(配管a)、第5流路(配管c)、及び、制御部を備え、前記ラジエータは、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を低下させ、前記温度計は、前記冷媒の温度を計測し、前記リザーブタンクは、前記冷媒を蓄え、前記第1流路(上流配管)は、前記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ことを可能にし、前記第2流路(下流配管)は、前記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ことを可能にし、前記三方弁は、前記第1流路に備えられ、且つ、当該第1流路を分岐し、前記第3流路(バイパス配管)は、前記冷媒が前記ラジエータを迂回して前記三方弁から前記第2流路に向かって流れることを可能にし、前記冷媒循環ポンプは、前記第2流路の前記第3流路との合流部よりも下流に備えられ、前記第4流路(配管a)は、前記冷媒が前記第1流路または前記第3流路から前記リザーブタンクに向かって流れることを可能にし、前記第5流路(配管c)は、前記冷媒が前記リザーブタンクから前記第2流路に向かって流れることを可能にするか、又は、前記冷媒が前記リザーブタンクから前記第3流路の前記第4流路との分岐点よりも下流に向かって流れることを可能にし、前記第4流路及び前記第5流路からなる群より選ばれる少なくとも1種の流路は、第1バルブを備え、前記制御部は、前記三方弁を制御することにより、前記冷媒が前記第1流路を通って前記ラジエータに流れるラジエータ循環、又は、前記冷媒が前記ラジエータを迂回して前記第3流路を通って前記第2流路に流れる第3流路循環のいずれか一方の循環系に切り替え、前記制御部は、前記冷媒の温度が低温閾値以下のときに、前記ラジエータ循環から前記第3流路循環に切り替え、且つ、前記第1バルブを閉じ、前記制御部は、前記冷媒の温度が高温閾値以上になったときに、前記第1バルブを開け、前記冷媒が前記リザーブタンクを流れるように循環させる。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記第4流路は、前記第1バルブを備えてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池システムは、前記冷媒が前記ラジエータの入口又は出口から前記リザーブタンクに向かって流れる第6流路(配管b)を備えてもよい。
本開示の燃料電池システムにおいては、前記第6流路(配管b)が、第2バルブを備え、前記制御部は、前記冷媒の温度が低温閾値以下のときに、前記ラジエータ循環から前記第3流路循環に切り替え、且つ、前記第1バルブ及び前記第2バルブを閉じ、前記制御部は、前記冷媒の温度が高温閾値以上になったときに、前記第1バルブ及び前記第2バルブを開け、前記冷媒が前記リザーブタンクを流れるように循環させてもよい。
本開示の燃料電池システムによれば、高温時の燃料電池の速やかな冷却と、システム起動時の燃料電池の速やかな加熱とを両立することができる。
図1は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。 図2は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す概略構成図である。 図3は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す概略構成図である。 図4は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。 図5は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、燃料電池、ラジエータ、温度計、リザーブタンク、第1流路(上流配管)、第2流路(下流配管)、三方弁、第3流路(バイパス配管)、冷媒循環ポンプ、第4流路(配管a)、第5流路(配管c)、及び、制御部を備え、前記ラジエータは、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を低下させ、前記温度計は、前記冷媒の温度を計測し、前記リザーブタンクは、前記冷媒を蓄え、前記第1流路(上流配管)は、前記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ことを可能にし、前記第2流路(下流配管)は、前記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ことを可能にし、前記三方弁は、前記第1流路に備えられ、且つ、当該第1流路を分岐し、前記第3流路(バイパス配管)は、前記冷媒が前記ラジエータを迂回して前記三方弁から前記第2流路に向かって流れることを可能にし、前記冷媒循環ポンプは、前記第2流路の前記第3流路との合流部よりも下流に備えられ、前記第4流路(配管a)は、前記冷媒が前記第1流路または前記第3流路から前記リザーブタンクに向かって流れることを可能にし、前記第5流路(配管c)は、前記冷媒が前記リザーブタンクから前記第2流路に向かって流れることを可能にするか、又は、前記冷媒が前記リザーブタンクから前記第3流路の前記第4流路との分岐点よりも下流に向かって流れることを可能にし、前記第4流路及び前記第5流路からなる群より選ばれる少なくとも1種の流路は、第1バルブを備え、前記制御部は、前記三方弁を制御することにより、前記冷媒が前記第1流路を通って前記ラジエータに流れるラジエータ循環、又は、前記冷媒が前記ラジエータを迂回して前記第3流路を通って前記第2流路に流れる第3流路循環のいずれか一方の循環系に切り替え、前記制御部は、前記冷媒の温度が低温閾値以下のときに、前記ラジエータ循環から前記第3流路循環に切り替え、且つ、前記第1バルブを閉じ、前記制御部は、前記冷媒の温度が高温閾値以上になったときに、前記第1バルブを開け、前記冷媒が前記リザーブタンクを流れるように循環させる。
特許文献1では、「バイパス回路からリザーブタンクにつなぐ配管の接続点」と「リザーブタンクからポンプ入口につなぐ配管の接続点」との区間の圧損がきわめて小さいため、エア抜きを可能とする流量がリザーブタンクに流れない。エア抜きができないとポンプでのエア噛みによる送水量低下と、これに伴う冷却性能の低下を引き起こす。これを回避するために上記区間に圧損体を設けたとすると、全体圧損が上がるため、ポンプ能力を上げる必要がある。
また、ラジエータとリザーブタンクをつなぐ配管が高温運転時以外ではバルブで閉じられているため、高温運転時以外ではラジエータ回路のエア抜きができない。
さらに、氷点下始動を行う場合、バイパス回路を流れる冷却水がリザーブタンク内の冷えた冷却水を回路内に押し出すため、暖機時間が長くなる。
本開示の燃料電池システムによれば、高温時の燃料電池の速やかな冷却と、システム起動時の燃料電池の速やかな加熱とを両立することができる。
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源として電動機を有する車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知の駆動モータであってもよい。
車両は、燃料電池車両であってもよい。
車両は、本開示の燃料電池システムを備えていてもよい。
本開示の燃料電池システムは、燃料電池を備える。
燃料電池は、単セルを1つのみ有するものであってもよいし、単セルを複数個積層した積層体である燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、2~数百個であってもよく、2~200個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも膜電極ガス拡散層接合体を備える。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノード側ガス拡散層及び、アノード触媒層及び、電解質膜及び、カソード触媒層及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
カソード(酸化剤極)は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード(燃料極)は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。また、アノード触媒およびカソード触媒としては、例えば、Pt(白金)、Ru(ルテニウム)などが挙げられ、触媒を担持する母材および導電材としては、例えば、カーボンなどの炭素材料等が挙げられる。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン社製)等であってもよい。
単セルは、必要に応じて膜電極ガス拡散層接合体の両面を挟持する2枚のセパレータを備えてもよい。2枚のセパレータは、一方がアノード側セパレータであり、もう一方がカソード側セパレータである。本開示では、アノード側セパレータとカソード側セパレータとをまとめてセパレータという。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。冷媒としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよい。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがアノード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散層に接する面に燃料ガス供給孔から燃料ガス排出孔に燃料ガスを流す燃料ガス流路を有していてもよく、アノード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータがカソード側セパレータである場合は、1つ以上の燃料ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス供給孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒供給孔を有していてもよく、1つ以上の燃料ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の酸化剤ガス排出孔を有していてもよく、1つ以上の冷媒排出孔を有していてもよく、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散層に接する面に酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス排出孔に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス流路を有していてもよく、カソード側ガス拡散層に接する面とは反対側の面に冷媒供給孔から冷媒排出孔に冷媒を流す冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属(例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等)板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。
燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、ラジエータ、温度計、リザーブタンク、第1流路、第2流路、三方弁、第3流路、冷媒循環ポンプ、第4流路、第5流路、及び、制御部を備える。
ラジエータは燃料電池を冷却する冷媒の温度を低下させる。
温度計は、冷媒の温度を計測する。
温度計は、制御部と電気的に接続される。温度計は、計測結果を制御部に与え、制御部は、温度計が計測した冷媒の温度を検知してもよい。温度計の配置位置は冷媒の温度を測ることができれば、特に限定されない。温度計は、冷媒の温度の測定精度を高める観点から、第1流路に配置してもよい。
リザーブタンクは、冷媒を蓄える。リザーブタンクは、空気を蓄えてもよい。リザーブタンクは、冷媒の温度を低温に維持してもよい。
第1流路(上流配管)は、燃料電池の冷媒出口とラジエータとを接続し、冷媒が燃料電池からラジエータに向かって流れることを可能にする。
第2流路(下流配管)は、ラジエータと燃料電池の冷媒入口とを接続し、冷媒がラジエータから燃料電池に向かって流れることを可能にする。
三方弁は、第1流路に備えられ、当該第1流路を分岐する。
三方弁は、制御部と電気的に接続される。三方弁は、制御部からの制御信号に従って、開閉が制御される。
制御部は、三方弁を制御することにより、冷媒が第1流路を通ってラジエータに流れるラジエータ循環、又は、ラジエータを迂回して第3流路を通って第2流路に流れる第3流路循環のいずれか一方の循環系に切り替えることができる。
制御部は、冷媒温度が高温閾値(例えば50℃)以上の場合に、三方弁をラジエータ循環に切り替えてもよい。
制御部は、冷媒温度が低温閾値(例えば40℃)以下の場合に、三方弁を第3流路循環に切り替えてもよい。
第3流路(バイパス配管)は、第1流路と第2流路とを接続し、冷媒がラジエータを迂回して三方弁から第2流路に向かって流れることを可能にする。
第2流路は、第3流路との合流部を有する。
冷媒循環ポンプは、第2流路の第3流路との合流部よりも下流に備えられる。
冷媒循環ポンプは、制御部と電気的に接続される。冷媒循環ポンプは、制御部からの制御信号に従って、その駆動が制御される。
第4流路(配管a)は、第1流路または第3流路とリザーブタンクとを接続し、冷媒が第1流路または第3流路からリザーブタンクに向かって流れることを可能にする。
第1流路または第3流路は、第4流路との分岐点を有する。
第1流路の第4流路との分岐点は、システム起動時のより速やかな加熱を可能にする観点から、三方弁よりも上流に有していてもよい。
第5流路(配管c)は、リザーブタンクと第2流路とを接続するか、又は、リザーブタンクと第3流路の第4流路との分岐点よりも下流の領域とを接続する。第5流路(配管c)は、冷媒がリザーブタンクから第2流路に向かって流れることを可能にするか、又は、冷媒がリザーブタンクから第3流路の第4流路との分岐点よりも下流に向かって流れることを可能にする。
第4流路及び第5流路からなる群より選ばれる少なくとも1種の流路は、第1バルブを備える。高温時のより速やかな冷却と、システム起動時のより速やかな加熱を可能にする観点から、第4流路は、第1バルブを備えてもよい。
第1バルブは、制御部と電気的に接続される。第1バルブは、制御部からの制御信号に従って、開閉が制御される。第1バルブを開くことにより、第3流路及びラジエータのエア抜きが促進され、高温時のより速やかな冷却と、システム起動時のより速やかな加熱を可能にする。
制御部は、冷媒温度が低温閾値(例えば40℃)以下の場合に第1バルブを開いてもよい。制御部は、三方弁を第3流路循環に切り替えているときに第1バルブを開いてもよい。制御部は、冷媒温度が低温閾値(例えば40℃)以下の場合、且つ、三方弁を第3流路循環に切り替えているときに第1バルブを開いてもよい。
燃料電池システムは、高温時のより速やかな冷却を可能にする観点から、第6流路(配管b)を備えてもよい。第6流路は、ラジエータの入口又は出口とリザーブタンクとを接続し、冷媒がラジエータの入口又は出口からリザーブタンクに向かって流れることを可能にする。高温時に三方弁がラジエータ循環に切り替えられ、第1流路-ラジエータ-第2流路のルートで冷媒が循環しているときに、第6流路はラジエータからリザーブタンクに向かって冷媒が流れることを可能にする。
第6流路は高温時のより速やかな冷却を可能にする観点から、第2バルブを備えていてもよい。
第2バルブは、制御部と電気的に接続される。第2バルブは、制御部からの制御信号に従って、開閉が制御される。第2バルブを開くことにより、ラジエータのエア抜きが促進され、高温時のより速やかな冷却を可能にする。
制御部は、冷媒温度が高温閾値(例えば50℃)以上の場合に第2バルブを開いてもよい。制御部は、三方弁をラジエータ循環に切り替えているときに第2バルブを開いてもよい。制御部は、冷媒温度が高温閾値以上の場合、且つ、三方弁をラジエータ循環に切り替えているときに、第2バルブを開いてもよい。
第1バルブ及び第2バルブは電磁バルブ、サーモバルブ等が挙げられる。
燃料電池システムは、燃料電池の燃料ガス系として、燃料ガス供給部を備えていてもよく、燃料ガス供給流路を備えていてもよく、燃料オフガス排出流路を備えていてもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。
燃料ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。燃料ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って、燃料ガス供給部の主止弁の開閉が制御されることにより燃料ガスの供給のON/OFFが制御されてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料電池の燃料ガス入口と燃料ガス供給部とを接続する。燃料ガス供給流路は、燃料ガスの燃料電池のアノードへの供給を可能にする。燃料ガス入口は、燃料ガス供給孔、アノード入口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路は、燃料電池の燃料ガス出口と接続してもよい。燃料オフガス排出流路は、燃料電池のアノードから排出された燃料ガスである燃料オフガスを外部に排出する。燃料ガス出口は、燃料ガス排出孔、アノード出口マニホールド等であってもよい。
燃料オフガス排出流路には、燃料オフガス排出弁(排気排水弁)が備えられていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガス及び水分等を外部(系外)へ排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部であってもよく、車両の外部であってもよい。
燃料オフガス排出弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって燃料オフガス排出弁の開閉を制御されることにより、燃料オフガスの外部への排出流量を調整してもよい。また、燃料オフガス排出弁の開度を調整することにより、アノードに供給される燃料ガス圧力(アノード圧力)を調整してもよい。
燃料オフガスは、アノードにおいて未反応のまま通過した燃料ガス及び、カソードで生成した生成水がアノードに到達した水分等を含んでいてもよく、触媒層及び電解質膜等で生成した腐食物質及び、掃気時にアノードに供給されてもよい酸化剤ガス等を含む場合がある。
燃料電池システムは、燃料電池の酸化剤ガス系として、酸化剤ガス供給部を備えていてもよく、酸化剤ガス供給流路を備えていてもよく、酸化剤オフガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池に酸化剤ガスを供給する。具体的には、酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。酸化剤ガス供給部は、制御部によって酸化剤ガス供給部からカソードに供給される酸化剤ガスの流量及び圧力からなる群より選ばれる少なくとも1つを制御されてもよい。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続する。酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部から燃料電池のカソードへの酸化剤ガスの供給を可能にする。酸化剤ガス入口は、酸化剤ガス供給孔、カソード入口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池の酸化剤ガス出口と接続する。酸化剤オフガス排出流路は、燃料電池のカソードから排出される酸化剤ガスである酸化剤オフガスの外部への排出を可能にする。酸化剤ガス出口は、酸化剤ガス排出孔、カソード出口マニホールド等であってもよい。
酸化剤オフガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みの酸化剤ガスである酸化剤オフガスを酸化剤オフガス排出流路から外部へ排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、カソードに供給される酸化剤ガス圧力(カソード圧力)を調整してもよい。
燃料電池システムは、二次電池を備えていてもよい。
二次電池(バッテリ)は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及び酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、例えば、家庭用電源等の車両の外部の電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。二次電池の充放電は、制御部によって制御されてもよい。
制御部は、物理的には、例えば、CPU(中央演算処理装置)等の演算処理装置と、CPUで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するROM(リードオンリーメモリー)、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAM(ランダムアクセスメモリー)等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)等の制御装置であってもよい。
制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。制御部はイグニッションスイッチが切られていても外部電源により動作可能であってもよい。
制御部は、冷媒の温度が低温閾値以下のときに、三方弁により第1流路からラジエータへの冷媒の流れを停止し、且つ、第1流路と第3流路との間を連通させ、且つ、第1バルブを閉じ、冷媒を、燃料電池と第1流路と第3流路と第2流路とで循環させる。
制御部は、冷媒の温度が高温閾値以上になったときに、第1バルブを開け、冷媒がリザーブタンクを流れるように循環させる。
低温閾値は、高温閾値よりも低い温度であればよい。低温閾値は、例えば、40℃以下であってもよく、20℃以下であってもよく、10℃以下であってもよく、0℃以下であってもよい。
高温閾値は、低温閾値よりも高い温度であればよい。高温閾値は、例えば、10℃以上であってもよく、20℃以上であってもよく、30℃以上であってもよく、50℃以上であってもよく、60℃以上であってもよく、80℃以上であってもよい。
第6流路が、第2バルブを備える場合、制御部は、冷媒の温度が低温閾値以下のときに、三方弁により第1流路からラジエータへの冷媒の流れを停止し、且つ、第1流路と第3流路との間を連通させ、且つ、第1バルブ及び第2バルブを閉じ、冷媒を、燃料電池と第1流路と第3流路と第2流路とで循環させてもよい。
制御部は、冷媒の温度が高温閾値以上になったときに、第1バルブ及び第2バルブを開け、冷媒がリザーブタンクを流れるように循環させてもよい。
図1は、本開示の燃料電池システムの一例を示す概略構成図である。
図1に示す燃料電池システムは、燃料電池10と、第1流路21、第2流路22、第3流路23、第4流路24、第5流路25、ラジエータ30、リザーブタンク40、冷媒循環ポンプ50、温度計60、三方弁70、第1バルブ71、及び、制御部80を備える。なお、図1では、冷却系のみ図示し、その他の、酸化剤ガス系、燃料ガス系等の図示は省略する。
制御部80は、冷媒循環ポンプ50、温度計60、三方弁70、第1バルブ71と電気的に接続され、これらの駆動を制御する。
図2は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す概略構成図である。
図2に示す燃料電池システムは、図1に示す燃料電池システムと比較して、第1流路21に第1バルブ71を配置する代わりに、第3流路23に第1バルブ71を配置している。さらに、ラジエータ30とリザーブタンク40を接続する第6流路26を備える。
なお、第4流路24があれば、高温時のラジエータのエア抜きを可能にし、放熱を補助できる。そのため、第6流路26はあってもよく、なくてもよい。また、第1流路21、リザーブタンク40、ラジエータ30、冷媒循環ポンプ50、の順でわずかだが冷媒が流れる。そのため、放熱効率向上の観点から、第1流路21に第1バルブ71を配置してもよい。
図3は、本開示の燃料電池システムの別の一例を示す概略構成図である。
図3に示す燃料電池システムは、図1に示す燃料電池システムと比較して、さらに、ラジエータ30とリザーブタンク40を接続する第6流路26を備える。第6流路26に第2バルブ72が配置されている。
制御部80は、冷媒循環ポンプ50、温度計60、三方弁70、第1バルブ71、第2バルブ72と電気的に接続され、これらの駆動を制御する。
図4は、本開示の燃料電池システムの制御の一例を示すフローチャートである。
(1)低温閾値(T1)判定
制御部は、冷媒の温度が低温閾値(T1)以下であるか否か判定する。
制御部は、冷媒の温度が低温閾値以下であると判定したとき、三方弁により第1流路からラジエータへの冷媒の流れを停止し、第1流路と第3流路との間を連通させる。そして、第1バルブを閉じ、冷媒を、燃料電池と第1流路と第3流路と第2流路とで循環させる。すなわち、制御部は、冷媒の温度が低温閾値以下であると判定したとき、三方弁を第3流路循環に切り替え、且つ、第1バルブを閉じる。第1バルブを閉じ、且つ、第3流路循環を行うことにより、リザーブタンクからの冷媒の供給を停止し、速やかに冷媒の温度を上昇させることができ、燃料電池の始動時間を短縮することができる。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、制御部は、第2バルブを閉じてもよい。
制御部は、冷媒の温度が低温閾値を超えていると判定したとき、第1バルブを開く。このとき、制御部は、三方弁をラジエータ循環に切り替えてもよい。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、放熱効果向上の観点から、制御部は、第2バルブも開いてもよい。
(2)高温閾値(T2)判定
制御部は、冷媒の温度が低温閾値以下であると判定した後、所定の時間経過後、冷媒の温度が高温閾値(T2)以上になったか否か判定する。
制御部は、冷媒の温度が高温閾値以上になるまでは、第1バルブを閉じ、三方弁の第3流路循環を維持する。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、制御部は、第2バルブも閉じていてもよい。
制御部は、冷媒の温度が高温閾値以上になったと判定したとき、第1バルブを開け、冷媒がリザーブタンクを流れるように循環させる。このとき、制御部は、三方弁をラジエータ循環に切り替えてもよい。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、放熱効果向上の観点から、制御部は、第2バルブも開いてもよい。第1バルブを開けることにより、第3流路及びラジエータのエア抜きを行うことができる。これにより放熱能力を向上させることができる。
上記の制御により、氷点下始動時(例えば、外気温度が氷点下、且つ、冷却水温度が低温閾値以下)には、第1バルブを閉じることで氷点下始動時間を短縮することができる。
低温閾値(T1)は、高温閾値(T2)よりも低い温度に設定すればよい。
低温閾値(T1)は、例えば0℃以下であってもよく、高温閾値(T2)は10℃以上であってもよい。所定の時間は、冷媒の目標温度等に応じて適宜設定してもよい。
(0)外気温(T0)判定
必要に応じて、上記(1)低温閾値判定の前に、外気温判定を行ってもよい。低温閾値判定の前に、外気温判定を行うことにより低温閾値判定を精度良く行うことができる。
すなわち、制御部は、外気温が所定の温度(T0)以下であるか否か判定してもよい。
制御部は、外気温が所定の温度T0を超えると判定したとき、第1バルブを開く。このとき、制御部は、三方弁をラジエータ循環に切り替えてもよい。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、放熱効果向上の観点から、制御部は、第2バルブも開いてもよい。
制御部は、外気温が所定の温度T0以下であると判定したとき、上記(1)低温閾値判定を行ってもよい。
外気温は温度計により測定してもよい。
外気温が所定の温度T0は、例えば、10℃以下であってもよいし、0℃以下であってもよい。
外気温が上昇しつつある場合であっても冷媒温度が低い場合がある。冷媒の温度が0℃を超えるまでの昇温時間を短縮したい場合は、例えば低温閾値T1を0℃に設定してもよく、外気温の所定の温度T0を10℃に設定してもよく、高温閾値T2を10℃に設定してもよい。
図5は、本開示の燃料電池システムの制御の別の一例を示すフローチャートである。
図5において、(1)低温閾値(T1)判定、及び、(2)高温閾値(T2)判定は、上記と同様である。
(3)第2高温閾値(T3)判定
必要に応じて、上記(2)高温閾値(T2)判定の後に、第2高温閾値(T3)判定を行ってもよい。
すなわち、制御部は、冷媒の温度が第2高温閾値(T3)以上になったか否か判定してもよい。
制御部は、冷媒の温度が第2高温閾値(T3)以上になるまでは、第1バルブを開けていてもよく、三方弁の第3流路循環を維持してもよい。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、放熱効果向上の観点から、制御部は、第2バルブも開けていてもよい。
制御部は、冷媒の温度が第2高温閾値(T3)以上になったと判定したとき、第1バルブを閉じ、リザーブタンク内の冷媒の温度を維持させる。このとき、制御部は、三方弁をラジエータ循環に切り替えてもよい。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、制御部は、第2バルブも閉じてもよい。第1バルブを閉じることにより、リザーブタンク内の冷媒の温度を維持し、冷媒温度が例えば80℃以上となったときに、速やかに冷媒の温度を下げられるように備えることができる。
第2高温閾値(T3)は、高温閾値(T2)よりも高い温度に設定すればよい。
第2高温閾値(T3)は、例えば20℃~40℃であってもよい。
(4)第3高温閾値(T4)判定
必要に応じて、上記(3)第2高温閾値(T3)判定の後に、第3高温閾値(T4)判定を行ってもよい。
すなわち、制御部は、冷媒の温度が第3高温閾値(T4)以上になったか否か判定してもよい。
制御部は、冷媒の温度が第3高温閾値(T4)以上になるまでは、第1バルブを閉じていてもよい。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、制御部は、第2バルブも閉じていてもよい。
制御部は、冷媒の温度が第3高温閾値(T4)以上になったと判定したとき、第1バルブを開き、所定の時間、冷媒がリザーブタンクを流れるように循環させる。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、放熱効果向上の観点から、制御部は、第2バルブも開いてもよい。
第3高温閾値(T4)は、第2高温閾値(T3)よりも高い温度に設定すればよい。
第3高温閾値(T4)は、例えば70℃~90℃であってもよい。
(5)第4高温閾値(T5)判定
必要に応じて、上記(4)第3高温閾値(T4)判定の後、所定の時間経過後に、第4高温閾値(T5)判定を行ってもよい。
すなわち、制御部は、冷媒の温度が第4高温閾値(T5)以下になったか否か判定してもよい。
制御部は、冷媒の温度が第4高温閾値(T5)以下になるまでは、第1バルブを開いていてもよい。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、放熱効果向上の観点から、制御部は、第2バルブも開いていてもよい。
制御部は、冷媒の温度が第4高温閾値(T5)以下になったと判定したとき、第1バルブを閉じる。このとき、第6流路が、第2バルブを備える場合は、制御部は、第2バルブも閉じてもよい。第1バルブを閉じることによりリザーブタンクの温度を低温に維持することができ、次回第3高温閾値(T4)以上になったときの速やかな放熱に備えることができる。
第4高温閾値(T5)は、第3高温閾値(T4)よりも低い温度に設定すればよい。
第4高温閾値(T5)は、例えば70℃以下であってもよく、60℃以下であってもよい。所定の時間は、冷媒の目標温度等に応じて適宜設定してもよい。
10 燃料電池
21 第1流路(上流配管)
22 第2流路(下流配管)
23 第3流路(バイパス配管)
24 第4流路(配管a)
25 第5流路(配管c)
26 第6流路(配管b)
30 ラジエータ
40 リザーブタンク
50 冷媒循環ポンプ
60 温度計
70 三方弁
71 第1バルブ
72 第2バルブ
80 制御部

Claims (4)

  1. 燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムは、燃料電池、ラジエータ、温度計、リザーブタンク、第1流路(上流配管)、第2流路(下流配管)、三方弁、第3流路(バイパス配管)、冷媒循環ポンプ、第4流路(配管a)、第5流路(配管c)、及び、制御部を備え、
    前記ラジエータは、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を低下させ、
    前記温度計は、前記冷媒の温度を計測し、
    前記リザーブタンクは、前記冷媒を蓄え、
    前記第1流路(上流配管)は、前記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ことを可能にし、
    前記第2流路(下流配管)は、前記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ことを可能にし、
    前記三方弁は、前記第1流路に備えられ、且つ、当該第1流路を分岐し、
    前記第3流路(バイパス配管)は、前記冷媒が前記ラジエータを迂回して前記三方弁から前記第2流路に向かって流れることを可能にし、
    前記冷媒循環ポンプは、前記第2流路の前記第3流路との合流部よりも下流に備えられ、
    前記第4流路(配管a)は、前記冷媒が前記第1流路または前記第3流路から前記リザーブタンクに向かって流れることを可能にし、
    前記第5流路(配管c)は、前記冷媒が前記リザーブタンクから前記第2流路に向かって流れることを可能にするか、又は、前記冷媒が前記リザーブタンクから前記第3流路の前記第4流路との分岐点よりも下流に向かって流れることを可能にし、
    前記第4流路及び前記第5流路からなる群より選ばれる少なくとも1種の流路は、第1バルブを備え、
    前記制御部は、前記三方弁を制御することにより、前記冷媒が前記第1流路を通って前記ラジエータに流れるラジエータ循環、又は、前記冷媒が前記ラジエータを迂回して前記第3流路を通って前記第2流路に流れる第3流路循環のいずれか一方の循環系に切り替え、
    前記制御部は、前記冷媒の温度が低温閾値以下のときに、前記ラジエータ循環から前記第3流路循環に切り替え、且つ、前記第1バルブを閉じ、
    前記制御部は、前記冷媒の温度が高温閾値以上になったときに、前記第1バルブを開け、前記冷媒が前記リザーブタンクを流れるように循環させる、燃料電池システム。
  2. 前記第4流路は、前記第1バルブを備える請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池システムは、前記冷媒が前記ラジエータの入口又は出口から前記リザーブタンクに向かって流れる第6流路(配管b)を備える請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
  4. 前記第6流路(配管b)が、第2バルブを備え、
    前記制御部は、前記冷媒の温度が低温閾値以下のときに、前記ラジエータ循環から前記第3流路循環に切り替え、且つ、前記第1バルブ及び前記第2バルブを閉じ、
    前記制御部は、前記冷媒の温度が高温閾値以上になったときに、前記第1バルブ及び前記第2バルブを開け、前記冷媒が前記リザーブタンクを流れるように循環させる、請求項3に記載の燃料電池システム。
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