(57)【要約】【課題】ＦＣスタック等の昇温を促進させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】実施形態に係る燃料電池システムは、車両６０の前方６１のフロントルーム６２に燃料電池１０、ラジエータ２０及びラジエータファン３０が配置された燃料電池システム１であって、燃料電池１０の暖機運転を行う際に、車両６０の前方６１のグリルシャッター４０を閉じ、燃料電池１０を冷却する冷却液１２を、ラジエータ２０に流してラジエータファン３０を回転させる制御部５０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の前方のフロントルームに燃料電池、ラジエータ及びラジエータファンが配置された燃料電池システムであって、
前記燃料電池の暖機運転を行う際に、前記車両の前方のグリルシャッターを閉じ、
前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記ラジエータに流して前記ラジエータファンを回転させる制御部を備えた、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものであり、例えば、燃料電池の暖機運転を行う際に、燃料電池の昇温を促進させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池車両のフロントルームに、燃料電池を冷却するために用いられるラジエータ及びラジエータファンが車両の進行方向に直列に配置されていること、及び、車両の前方にラジエータグリルが開閉可能に配置されていることが記載されている。
【０００３】
特許文献１の車両では、ラジエータグリルを閉じた状態にして、ラジエータファンを回転させることにより、フロントルーム内を昇温している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７３９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ラジエータファンによる気流は、フロントルーム内のラジエータ前後で旋回するが、燃料電池に含まれるＦＣスタック（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔａｃｋ）を昇温させる効果は弱いため、ＦＣスタックと、スタック配管・水素ポンプとの間に温度差が生じる。このため、配管・水素ポンプ内に結露水が発生し、燃料電池の電圧の低下またはセルの劣化を引き起こすことになる。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ＦＣスタック等の昇温を促進させることができる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、車両の前方のフロントルームに燃料電池、ラジエータ及びラジエータファンが配置された燃料電池システムであって、前記燃料電池の暖機運転を行う際に、前記車両の前方のグリルシャッターを閉じ、前記燃料電池を冷却する冷却液を、前記ラジエータに流して前記ラジエータファンを回転させる制御部を備える。このような構成により、ＦＣスタック等の昇温を促進させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、ＦＣスタック等の昇温を促進させることができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの構成を例示した説明図であり、（ａ）は、上方から見た構成を例示した説明図であり、（ｂ）は、側方から見た構成を例示した説明図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池システムの暖機運転を行う際の動作を例示したフローチャート図である。
【図３】（ａ）は、比較例に係る燃料電池を例示した図であり、（ｂ）は、比較例に係る燃料電池の状態を例示したグラフであり、横軸は、ＦＣスタックの位置を示し、左側の縦軸は、ＦＣスタックにおけるセルの温度を示し、右側の縦軸は、ＦＣスタックにおけるセルの含水量を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１１】
実施形態に係る燃料電池システムを説明する。実施形態の燃料電池システムは、燃料電池車両における燃料電池の暖機運転を行う際に、燃料電池等の昇温を促進させる燃料電池システムである。燃料電池システムの説明を、燃料電池システムの構成、及び、燃料電池システムの動作に分けて説明する。まず、燃料電池システムの構成を説明する。
【００１２】
図１は、実施形態に係る燃料電池システムの構成を例示した説明図であり、（ａ）は、上方から見た構成を例示した説明図であり、（ｂ）は、側方から見た構成を例示した説明図である。なお、図１（ｂ）においては、図が煩雑にならないように、図１（ａ）の冷却液１２の循環流路及び制御部５０に関する構成は省略している。
【００１３】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、ラジエータ２０、ラジエータファン３０、グリルシャッター４０及び制御部５０を備えている。また、燃料電池システム１は、冷却液１２の循環流路、冷却液ポンプ１４、温度センサ１６、ロータリーバルブ１９等その他の部材も含んでいる。燃料電池１０、ラジエータ２０及びラジエータファン３０は、車両６０の前方６１のフロントルーム６２に配置されている。グリルシャッター４０は、車両６０の前方６１に配置されている。
【００１４】
燃料電池１０は、例えば、車両の発電源であり、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うＦＣスタック（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｔａｃｋ）を含んでいる。例えば、水素を充填した水素タンクから水素を取り入れ、大気中から酸素を取り入れて発電する。燃料電池１０は、発電と同時に熱も発生する。燃料電池１０には、内部に冷却液１２が流通する燃料電池流路１１が設けられている。燃料電池流路１１を流れる冷却液１２により、燃料電池１０を冷却する。冷却液１２は、例えば、エチレングリコールを含む水溶液である。
【００１５】
冷却液供給流路１３は、燃料電池１０に接続されている。冷却液供給流路１３は、燃料電池１０に冷却液１２を供給する管状の部材である。冷却液供給流路１３には、冷却液ポンプ１４が配置されている。冷却液プンプ１４は、信号配線により、制御部５０に接続され、冷却液ポンプ１４の動作は、制御部５０により制御される
【００１６】
冷却液排出流路１５も、燃料電池１０に接続されている。冷却液排出流路１５は、燃料電池１０に供給された冷却液１２を排出する管状の部材である。冷却液排出流路１５には、例えば、温度センサ１６が配置されている。温度センサ１６は、信号配線により、制御部５０に接続されている。温度センサ１６が取得した冷却液１２の温度の情報は、制御部５０に対して出力される。
【００１７】
バイパス流路１７は、冷却液供給流路１３と冷却液排出流路１５とを繋ぐように設けられている。バイパス流路１７は、冷却液１２を流通させる管状の部材である。バイパス流路１７には、例えば、冷却液１２中の不純物イオンを除去するイオン交換機（図示せず）が接続されてもよい。
【００１８】
ラジエータ流路１８は、バイパス流路１７と並列に配置され、冷却液供給流路１３と冷却液排出流路１５とを繋ぐように設けられている。ラジエータ流路１８は、冷却液１２を流通させる管状の部材である。ラジエータ流路１８には、ラジエータ２０が接続されている。
【００１９】
ロータリーバルブ１９は、冷却液排出流路１５、バイパス流路１７及びラジエータ流路１８の分岐点に設けられている。ロータリーバルブ１９は、冷却液排出流路１５、バイパス流路１７及びラジエータ流路１８に接続されている。ロータリーバルブ１９は、冷却液排出流路１５に流れる冷却液１２を、バイパス流路１７側またはラジエータ流路１８側へ切り分ける。ロータリーバルブ１９は、信号配線により、制御部５０に接続され、ロータリーバルブ１９の開閉の動作は、制御部５０により制御される。
【００２０】
ラジエータ２０は、冷却液１２の熱を放出する装置である。ラジエータ２０は、内部を流れる冷却液１２の熱を、周囲の空気等に熱伝導を用いて放熱する。このため、ラジエータ２０は、内部を流れる冷却液１２と接触する表面積を大きくするために、例えば、多数の細管内に冷却液１２を流す構造や、蛇行した管内に冷却液１２を流す構造、平板状の放熱板内に冷却液１２を流す構造等となっている。
【００２１】
ラジエータ２０は、ラジエータ流路１８に配置されている。ラジエータ２０の流入口及び流出口は、ラジエータ流路１８の途中に連結されている。
【００２２】
ラジエータファン３０は、ラジエータ２０に隣接して配置されている。ラジエータファン３０は、例えば、ラジエータ２０の後方に設けられ、前方から後方へ向かう気流を形成する。ラジエータファン３０により形成された気流は、ラジエータ２０を通り抜ける。これにより、ラジエータ２０における冷却液１２の放熱を効率よく行うことができる。ラジエータファン３０は、信号配線により、制御部５０に接続され、ラジエータファン３０の動作は、制御部５０により制御される。
【００２３】
グリルシャッター４０は、車両６０の前方６１に設けられている。グリルシャッター４０は、開閉することができる。グリルシャッター４０を開くことにより、車両６０の前方６１からグリルシャッター４０を通して、フロントルーム６２内に空気を取り込むことができる。一方、グリルシャッター４０を閉じることにより、車両６０の外部からフロントルーム６２内への空気の流入を遮断することができる。すなわち、グリルシャッター４０を閉じることによってフロントルーム６２を閉空間とすることができる。グリルシャッター４０は、信号配線により、制御部５０に接続され、グリルシャッター４０の開閉の動作は、制御部５０により制御される。
【００２４】
制御部５０は、温度センサ１６と信号配線により接続されている。これにより、制御部５０は、冷却液１２の温度の情報を取得する。制御部５０は、冷却液ポンプ１４及びラジエータファン３０と信号配線により接続されている。これにより、制御部５０は、冷却液ポンプ１４及びラジエータファン３０の動作を制御する。制御部５０は、ロータリーバルブ１９及びグリルシャッター４０と信号配線により接続されている。これにより、制御部５０は、ロータリーバルブ１９及びグリルシャッター４０の開閉の動作を制御する。
【００２５】
次に、実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する。
図２は、実施形態に係る燃料電池システムにおいて、暖機運転を行う際の動作を例示したフローチャート図である。
【００２６】
図２のステップＳ１に示すように、例えば、燃料電池１０の暖機運転を行う際に、まず、車両６０の前方６１のグリルシャッター４０を閉じた状態とする。これにより、外気がフロントルーム６２内に入ることを抑制する。よって、フロントルーム６２内が閉空間となる。なお、グリルシャッター４０を閉じる動作は、例えば、制御部５０により、制御されるが、イグニッションＯＦＦ時には、グリルシャッター４０を、通常、閉じた状態としてもよい。
【００２７】
次に、図２のステップＳ２に示すように、燃料電池１０に発電を始動させる。例えば、イグニッションをＯＮにする。これにより、制御部５０は、燃料電池１０に、水素及び酸素を供給する。また、冷却液ポンプ１４を作動させ、燃料電池１０を冷却する冷却液１２を循環させる。燃料電池１０の発電の始動時においては、燃料電池１０は低温となっている。
【００２８】
次に、図２のステップＳ３に示すように、冷却液１２をラジエータ２０に流す。例えば、制御部５０の制御により、ロータリーバルブ１９を動作させ、ラジエータ流路１８側に冷却液１２が流れるようにする。例えば、ロータリーバルブ１９を、ラジエータ流路１８側に全開にして、冷却液排出流路１５に流れる冷却液１２を、バイパス流路１７側には流さずに、ラジエータ流路１８側に流れるようにする。このようにして、冷却液１２をラジエータ２０に流す。なお、冷却液排出流路１５に流れる冷却液１２の一部をラジエータ流路１８側に流し、その他の部分をバイパス流路１７側に流すように、ロータリーバルブ１９の開閉を制御してもよい。ラジエータ流路１８側及びバイパス流路１７側に冷却液１２を分配する割合は制御部５０により制御される。
【００２９】
次に、図２のステップＳ４に示すように、ラジエータファン３０を回転させる。例えば、制御部５０の制御により、ラジエータファン３０を意図的に回転させて、車両６０の前方から後方へ向かう気流を形成する。これにより、閉空間となったフロントルーム６２内において、ラジエータファン３０の後方が正圧となり、ラジエータ２０の前方６１が負圧となる。
【００３０】
ラジエータファン３０により形成された気流は、ラジエータ２０を通り抜ける。ラジエータ２０を通り抜けることにより、ラジエータ２０から熱が伝達された空気は、温風となって、フロントルーム６２内で乱流となる。そして、温風は、熱伝導でフロントルーム６２内を均一に暖める。フロントルーム６２内を暖めた温風は、その後、閉空間のフロントルーム６２内で最も負圧となっているラジエータ２０の前方６１に戻る。
【００３１】
フロントルーム６２内のラジエータ２０及びラジエータファン３０の周囲は、複数の部品が組み合わされた構成となっている。よって、図１（ａ）及び（ｂ）で示すように、ラジエータ２０及びラジエータファン３０の周囲には、ラジエータファン３０の後方から、ラジエータ２０の前方６１に戻る温風６３の通り道となる隙間が多数存在している。例えば、ラジエータ２０の上方及び下方、並びに、ラジエータ２０の側方に、隙間が形成されている。よって、フロントルーム６２内を、乱流をとなって均一に暖めた温風６３は、ラジエータファン３０の後方から、ラジエータ２０の前方６１に戻ることができる。
【００３２】
このように、閉空間となったフロントルーム６２内で温風６３が、サーキュレーションすることができるので、フロントルーム６２内を均一に昇温させることができる。これにより、ＦＣスタック等の昇温を促進させることができる。
【００３３】
次に、図２のステップＳ５に示すように、冷却液１２の温度が所定の温度か判定する。冷却液１２の温度が所定の温度に達しない（Noの）場合には、ステップＳ５に戻り、所定の温度に到達するまで継続する。
【００３４】
一方、冷却液１２の温度が所定の温度に到達した（Yesの）場合には、暖機運転を終了する。そして、例えば、グリルシャッター４０を開いた状態にし、ロータリーバルブ１９を、温度センサ１６の温度に依存した開閉を行うように制御する。このようにして、燃料電池１０を暖機することができる。
【００３５】
次に、実施形態の効果を説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０の暖機運転を行う際に、車両６０の前方６１のグリルシャッター４０を閉じ、燃料電池１０を冷却する冷却液１２を、ラジエータ２０に流してラジエータファン３０を回転させるように、制御部５０により制御されている。したがって、閉空間となったフロントルームにおいて、ラジエータファン３０を回転させることで、ラジエータファン３０の後方を正圧とし、ラジエータ２０の前方を負圧とすることができる。よって、ラジエータ２０を通過した温風６３が、フロントルーム６２内を循環することができる。これにより、ＦＣスタック等の昇温を促進させることができる。
【００３６】
また、暖機運転を行う際に、冷却液１２を、ラジエータ２０に流してラジエータファン３０を回転させている。これにより、燃料電池１０から冷却液１２に伝達された熱であって、ラジエータ２０により放出された熱を、ラジエータ２０の前方に回り込んだ温風６３が受け取る。よって、温風６３の温度をさらに高温にすることができる。このサイクルを繰り返すことにより、フロントルーム６２内の昇温及び温度均一性を向上させることができる。
【００３７】
また、暖機運転を行う際に、このような方法で、ＦＣスタック等の昇温を促進させることができるので、燃料電池１０の劣化を抑制することができる。以下で、これについて説明する。
【００３８】
図３（ａ）は、比較例に係る燃料電池を例示した図である。図３（ａ）に示すように、燃料電池１０は、ＦＣスタック７０を含んでいる。ＦＣスタック７０には、水素を供給するための水素ポンプ７１、配管７２及びインジェクタ７３が接続されている。そして、燃料電池１０を始動させる前において、ＦＣスタック７０、水素ポンプ７１、配管７２及びインジェクタ７３は、低温状態になっている。
【００３９】
燃料電池１０を始動させると、燃料電池１０は、暖機運転等の低負荷による発電を始める。そうすると、ＦＣスタック７０と、水素ポンプ７１、配管７２及びインジェクタ７３との間に温度差が生じるようになる。これにより、水素ポンプ７１及び配管７２内に結露水７４が発生するようになる。
【００４０】
燃料電池１０が、低負荷による発電から、中または高負荷による発電に切り替わり、水素ポンプ７１の回転数が上がるようになると、結露水７４を巻き上げる。そして、結露水７４がＦＣスタック７０のセルへ流入するようになる。セルへ流入した結露水７４は、ガスの流れを阻害し、電圧降下を引き起こすようになる。また、セルへ流入した結露水７４は、セルを劣化させる。
【００４１】
図３（ｂ）は、比較例に係る燃料電池の状態を例示したグラフであり、横軸は、ＦＣスタックの位置を示し、左側の縦軸は、ＦＣスタックにおけるセルの温度を示し、右側の縦軸は、ＦＣスタックにおけるセルの含水量を示す。
【００４２】
図３（ｂ）に示すように、燃料電池１０の始動時には、ＦＣスタック７０の端部７５のセル温度が低く、含水量が多くなっている。燃料電池１０の始動時には、ＦＣスタック７０の周囲の温度は低くなっているために、ＦＣスタック７０の端部７５に結露水７４が発生する場合があるからである。
【００４３】
また、車両６０を外気中に放置した（ソーク）後に燃料電池１０を始動する時にも、ＦＣスタック７０の端部７５のセル温度が低く、含水量が多くなる。これは、ソーク中にＦＣスタック７０の端部７５で結露する場合があるからである。
【００４４】
さらに、ＦＣスタック７０の端部７５側での排気能力の低下により、発電により発生した水が端部７５に残留する場合があり、この場合にも、ＦＣスタック７０の端部７５のセル温度が低く、含水量が多くなっている。
【００４５】
このように、ＦＣスタック７０の端部７５のセル温度が低く、含水量が多くなると、端部７５の水分は、ガスの流れを阻害し、電圧降下を引き起こす。また、セルへ流入した水分は、セルを劣化させる。
【００４６】
しかしながら、本実施形態では、ラジエータ２０を通過した温風６３がフロントルーム６２内を循環するようにしている。よって、ＦＣスタック７０と、水素ポンプ７１、配管７２及びインジェクタ７３との間に生じる温度差を最小限にすることができる。したがって、水素ポンプ７１及び配管７２内に結露水７４が発生することを抑制し、ＦＣスタック７０のセルの劣化を抑制することができる。
【００４７】
また、ラジエータ２０を通過した温風６３がフロントルーム６２内を循環するようにしているので、燃料電池１０の始動時に、ＦＣスタック７０の端部７５の昇温を促進させ、端部７５の含水量を改善することができる。
【００４８】
以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１  燃料電池システム
１０  燃料電池
１１  燃料電池流路
１２  冷却液
１３  冷却液供給流路
１４  冷却液ポンプ
１５  冷却液排出流路
１６  温度センサ
１７  バイパス流路
１８  ラジエータ流路
１９  ロータリーバルブ
２０  ラジエータ
３０  ラジエータファン
４０  グリルシャッター
５０  制御部
６０  車両
６１  前方
６２  フロントルーム
６３  温風
７０  ＦＣスタック
７１  水素ポンプ
７２  配管
７３  インジェクタ
７４  結露水
７５  端部
【図１】
2018045776.tif 000003
【図２】
2018045776.tif 000004
【図３】
2018045776.tif 000005