(57)【要約】【課題】燃料電池の発電効率を向上させることができる、燃料温度調整システムを提供する。【解決手段】燃料電池２には、燃料循環路３１が接続されている。燃料循環路３１の一部として、燃料を貯留する燃料循環タンク３２が設けられている。また、ラジエータ３４およびラジエータファン３５が設けられており、ラジエータファン３５からの送風がラジエータ３４に供給されることにより、ラジエータ３４において、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する燃料を冷却することができる。ラジエータファン３５は、燃料循環路３１を燃料電池２から燃料循環タンク３２に向けて流通する燃料の温度に基づいて制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給される燃料の温度を調整する燃料温度調整システムであって、
前記燃料電池に接続され、燃料を前記燃料電池を経由して循環させる燃料循環路と、
前記燃料循環路の一部を構成し、前記燃料循環路を循環する燃料を貯留する燃料循環タンクと、
前記燃料循環路を前記燃料循環タンクから前記燃料電池に向けて流通する燃料を冷却する冷却装置と、
前記燃料循環路を前記燃料電池から前記燃料循環タンクに向けて流通する燃料の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による検出温度に基づいて、前記冷却装置を制御する冷却制御手段とを含む、燃料温度調整システム。
【請求項２】
前記燃料循環路を前記燃料循環タンクから前記燃料電池に向けて流通する燃料と前記燃料循環路を前記燃料電池から前記燃料循環タンクに向けて流通する燃料との間で熱交換させる熱交換器をさらに含む、請求項１に記載の燃料温度調整システム。
【請求項３】
燃料電池に供給される燃料の温度を調整する燃料温度調整システムであって、
前記燃料電池に接続され、燃料を前記燃料電池を経由して循環させる燃料循環路と、
前記燃料循環路の一部を構成し、前記燃料循環路を循環する燃料を貯留する燃料循環タンクと、
前記燃料循環路を前記燃料循環タンクから前記燃料電池に向けて流通する燃料と前記燃料循環路を前記燃料電池から前記燃料循環タンクに向けて流通する燃料との間で熱交換させる熱交換器とを含む、燃料温度調整システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に供給される燃料の温度を調整する燃料温度調整システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、たとえば、固体高分子膜の両側にアノード（燃料極）およびカソード（酸素極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体を備えている。アノードには、燃料循環路が接続されている。燃料循環路からアノードにヒドラジンなどの燃料が供給されるとともに、カソードに空気が供給されると、発電反応が生じ、アノードとカソードとの間に起電力が発生する。
【０００３】
発電反応に伴って、反応熱が発生する。燃料循環路を循環する燃料は、アノードを通過する際に燃料電池の熱を奪い、その温度が上昇する。燃料循環路を循環する燃料が高温になると、発電効率の低下や過熱による固体高分子膜の劣化などを生じるので、燃料を冷却する必要がある。燃料を冷却する構成として、たとえば、燃料を冷却する冷却器を設け、燃料循環路を循環する高温の燃料に冷却器で冷却された低温の燃料を混合する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５８６９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、かかる構成では、燃料の温度が監視および制御されておらず、燃料の温度に関係なく、冷却器で冷却された低温の燃料が燃料循環路を循環する燃料に混合される。そのため、燃料電池の冷間始動時に、燃料循環路を循環する燃料の昇温に時間がかかる。燃料の温度が低いときには、燃料電池が十分な発電性能を発揮できないので、燃料循環路を循環する燃料の温度が上がるまで、燃料電池の発電出力が低い状態が続く。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池の発電効率を向上させることができる、燃料温度調整システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、本発明の一の局面に係る燃料温度調整システムは、燃料電池に供給される燃料の温度を調整する燃料温度調整システムであって、前記燃料電池に接続され、燃料を前記燃料電池を経由して循環させる燃料循環路と、前記燃料循環路の一部を構成し、前記燃料循環路を循環する燃料を貯留する燃料循環タンクと、前記燃料循環路を前記燃料循環タンクから前記燃料電池に向けて流通する燃料を冷却する冷却装置と、前記燃料循環路を前記燃料電池から前記燃料循環タンクに向けて流通する燃料の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段による検出温度に基づいて、前記冷却装置を制御する冷却制御手段とを含む。
【０００８】
この構成によれば、燃料電池には、燃料循環路が接続されている。燃料循環路の一部として、燃料を貯留する燃料循環タンクが設けられている。また、冷却装置が設けられており、冷却装置によって、燃料循環路を燃料循環タンクから燃料電池に向けて流通する燃料を冷却することができる。
【０００９】
燃料電池に供給される燃料の温度は、燃料電池の発電に適した温度に保たれることが望ましい。燃料電池に供給される燃料の温度、つまり燃料循環路を燃料循環タンクから燃料電池に向けて流通する燃料の温度を検出し、その検出した温度に基づいて、冷却装置を制御すれば、燃料電池に供給される燃料の温度を燃料電池の発電に適した温度に精度よく調整することが可能である。
【００１０】
しかしながら、燃料電池の発電の停止後、発電が再開されるときに、燃料電池に供給される燃料の温度が低下していても、燃料電池が高温の状態を維持している場合がある。この場合、燃料電池の温度によっては、燃料電池に供給される燃料の温度がさらに低い方が燃料電池の発電の効率が向上する。
【００１１】
そこで、冷却装置は、燃料循環路を燃料循環タンクから燃料電池に向けて流通する燃料の温度ではなく、燃料循環路を燃料電池から燃料循環タンクに向けて流通する燃料の温度に基づいて制御される。
【００１２】
たとえば、燃料循環路を燃料電池から燃料循環タンクに向けて流通する燃料の温度が所定の第１温度以上である場合には、たとえ燃料電池に供給される燃料が低温であっても、燃料電池が高温の状態であるので、冷却装置が作動されて、燃料循環路を燃料循環タンクから燃料電池に向けて流通する燃料が冷却される。これにより、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１３】
また、燃料循環路を燃料電池から燃料循環タンクに向けて流通する燃料の温度が所定の第２温度未満である場合には、燃料電池に供給される燃料および燃料電池の両方が低温の状態であるので、冷却装置が作動されない。これにより、燃料および燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。
【００１４】
なお、第２温度は、第１温度と同じであってもよい。
【００１５】
燃料温度調整システムは、燃料循環路を燃料循環タンクから燃料電池に向けて流通する燃料と燃料循環路を燃料電池から燃料循環タンクに向けて流通する燃料との間で熱交換させる熱交換器をさらに含むことが好ましい。
【００１６】
この熱交換器が設けられることにより、燃料電池から排出される燃料の熱を利用して、燃料電池に向けて流通する燃料を昇温させることができる。そのため、燃料循環タンク内の燃料の温度が低いときに、その温度よりも高温の燃料を燃料電池に供給することができる。その結果、燃料電池の発電の開始後の早い時期から、燃料電池の高効率な発電運転が可能となる。
【００１７】
本発明の他の局面に係る燃料温度調整システムは、燃料電池に供給される燃料の温度を調整する燃料温度調整システムであって、前記燃料電池に接続され、燃料を前記燃料電池を経由して循環させる燃料循環路と、前記燃料循環路の一部を構成し、前記燃料循環路を循環する燃料を貯留する燃料循環タンクと、前記燃料循環路を前記燃料循環タンクから前記燃料電池に向けて流通する燃料と前記燃料循環路を前記燃料電池から前記燃料循環タンクに向けて流通する燃料との間で熱交換させる熱交換器とを含む。
【００１８】
この構成によれば、燃料電池には、燃料循環路が接続されている。燃料循環路の一部として、燃料を貯留する燃料循環タンクが設けられている。また、熱交換器が設けられており、熱交換器によって、燃料循環路を燃料循環タンクから燃料電池に向けて流通する燃料と燃料循環路を燃料電池から燃料循環タンクに向けて流通する燃料との間で熱交換させることができる。したがって、燃料電池から排出される燃料の熱を利用して、燃料電池に向けて流通する燃料を昇温させることができる。そのため、燃料循環タンク内の燃料の温度が低いときに、その温度よりも高温の燃料を燃料電池に供給することができる。その結果、燃料電池の発電の開始後の早い時期から、燃料電池の高効率な発電運転が可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料温度調整システムを含む燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池システムの稼働中に実行される制御の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料温度調整システム３を含む燃料電池システム１の構成図である。
【００２３】
燃料電池システム１は、たとえば、モータを走行用駆動源として搭載した車両（自動車）に搭載される。燃料電池システム１は、燃料電池２および燃料温度調整システム３を含む。
【００２４】
燃料電池２は、所定数（たとえば、１００〜２００）のセルが一方向に積層された、いわゆるセルスタックを有している。各セルは、膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）、膜／電極接合体の両側に配置されたセパレータ、および膜／電極接合体と各セパレータとの間に介在されたガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）を備えている。
【００２５】
膜／電極接合体は、固体高分子膜２１の両側にアノード（燃料極）２２およびカソード（酸素極）２３を貼り合わせて一体化したものである。固体高分子膜２１は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する。
【００２６】
セパレータの両面には、たとえば、葛折り状に屈曲した凹溝（図示せず）が形成されている。アノード２２に対向する凹溝は、燃料流路として形成されている。燃料流路の一端および他端は、それぞれ燃料入口２４および燃料出口２５に接続されている。膜／電極接合体のカソード２３に対向する凹溝は、エア流路として形成されている。エア流路の一端および他端は、それぞれエア入口２６およびエア出口２７に接続されている。
【００２７】
燃料温度調整システム３は、燃料循環路３１、燃料循環タンク３２、燃料循環ポンプ３３、ラジエータ３４、ラジエータファン３５および熱交換器３６を含む。
【００２８】
燃料循環路３１の一端は、燃料電池２の燃料入口２４に接続され、その他端は、燃料電池２の燃料出口２５に接続されている。
【００２９】
燃料循環タンク３２は、燃料循環路３１の一部として、燃料循環路３１の途中部に介裝されている。燃料循環タンク３２には、液体燃料（たとえば、ヒドラジン）が電解液（たとえば、水酸化カリウム水溶液）と混合された状態で貯留されている。
【００３０】
なお、以下では、特に言及がない限り、電解液と混合された状態の液体燃料を「液体燃料」という。
【００３１】
燃料循環ポンプ３３およびラジエータ３４は、燃料循環路３１の途中部であって、燃料循環タンク３２と燃料電池２の燃料入口２４との間に、燃料循環タンク３２側からその順に介裝されている。燃料循環ポンプ３３が駆動されると、燃料循環タンク３２に貯留されている液体燃料が燃料循環路３１を燃料入口２４に向けて送られ、燃料入口２４に液体燃料が供給される。そして、液体燃料は、燃料電池２の燃料流路を流通して、燃料電池２の燃料出口２５から燃料循環路３１に排出され、燃料循環路３１を流通して、燃料循環タンク３２に戻される。
【００３２】
ラジエータファン３５は、たとえば、ラジエータ３４に対向して配置されている。
【００３３】
熱交換器３６は、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する液体燃料と燃料循環路３１を燃料電池２から燃料循環タンク３２に向けて流通する液体燃料との間で熱交換可能なように設けられている。たとえば、熱交換器３６として、外管および外管内に挿通された内管を有する二重管式熱交換器が採用され、熱交換器３６は、燃料循環路３１の一部として、燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流れる液体燃料が外管を流通し、燃料電池２から燃料循環タンク３２に向けて流れる液体燃料が内管を流通するように設けられている。
【００３４】
燃料電池２の出力端子（集電板）には、負荷４への給電のための給電回路５が接続されている。給電回路５には、燃料電池２のプラス側の出力端子に直列に接続されたプラス側リレー５１、燃料電池２のマイナス側の出力端子に直列に接続されたマイナス側リレー５２およびプラス側リレー５１と並列に設けられる負荷４の予備充電回路５３などが含まれる。
【００３５】
また、燃料電池システム１は、制御部（電子制御ユニット）６を備えている。制御部６は、たとえば、ＣＰＵおよびメモリを含むマイクロコンピュータで構成されている。
【００３６】
制御部６には、燃料電池システム１に設けられた各種センサが接続されており、各種センサの検出信号が入力される。各種センサには、燃料電池２の燃料出口２５から燃料循環路３１に排出される液体燃料の温度（燃料出口温度）を検出する燃料出口温度センサ７などが含まれる。
【００３７】
制御部６は、各種センサから入力される検出信号に基づいて、燃料循環ポンプ３３およびラジエータファン３５を制御する。
【００３８】
図２は、燃料電池システム１の稼働中に実行される制御の流れを示すフローチャートである。
【００３９】
燃料電池システム１の稼働中、制御部６により、図２に示される制御が繰り返し実行される。
【００４０】
燃料電池２による発電のために、燃料循環ポンプ３３が駆動される（ステップＳ１）。燃料循環ポンプ３３が駆動されると、液体燃料が燃料循環路３１を循環し、燃料電池２の燃料流路を液体燃料が流通する。その一方で、エアコンプレッサ（図示せず）が駆動されて、燃料電池２のエア入口２６からエア流路にエアが供給され、エア流路をエアが流通する。エア流路を流通したエアは、エア出口２７から排出される。
【００４１】
燃料電池２の燃料流路を液体燃料が流通し、エア流路をエアが流通すると、燃料電池２において、発電反応（電気化学反応）が生じ、その電気化学反応により、アノード２２とカソード２３との間に起電力が発生する。
【００４２】
熱交換器３６により、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する液体燃料と燃料循環路３１を燃料電池２から燃料循環タンク３２に向けて流通する液体燃料との間で熱交換が行われる。燃料電池２における発電反応に伴って、反応熱が発生する。燃料電池２から排出される液体燃料は、燃料電池２の熱を奪って昇温している。したがって、燃料循環タンク３２内の液体燃料の温度が低いときには、その昇温した液体燃料と燃料循環タンク３２から燃料電池２に供給される液体燃料との間で熱交換が行われることにより、燃料循環タンク３２内の液体燃料よりも高温の液体燃料が燃料電池２に供給される。
【００４３】
燃料出口温度センサ７によって検出される液体燃料の温度（燃料出口温度）が監視されており、燃料出口温度が所定温度に達するまでは（ステップＳ２のＮＯ）、ラジエータファン３５が停止されている（ステップＳ３）。
【００４４】
燃料電池２における発電に伴って、燃料電池２の温度が上昇し、これに伴って、燃料循環路３１を循環する液体燃料の温度が上昇する。燃料出口温度が所定温度に達すると（ステップＳ２のＹＥＳ）、ラジエータファン３５が駆動される（ステップＳ４）。ラジエータファン３５が駆動されると、ラジエータファン３５による送風がラジエータ３４に供給され、ラジエータ３４において、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する液体燃料が冷却される。また、燃料出口温度が所定温度を下回るとラジエータファン３５が停止される。ラジエータファン３５の駆動・停止を行う燃料出口温度の所定温度にはヒステリシスを設けてもよい。
【００４５】
以上のように、燃料電池２には、燃料循環路３１が接続されている。燃料循環路３１の一部として、燃料を貯留する燃料循環タンク３２が設けられている。また、ラジエータ３４およびラジエータファン３５が設けられており、ラジエータファン３５からの送風がラジエータ３４に供給されることにより、ラジエータ３４において、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する燃料を冷却することができる。
【００４６】
燃料循環路３１を燃料電池２から燃料循環タンク３２に向けて流通する燃料の温度、つまり燃料出口温度が所定温度以上であるときには、たとえ燃料電池２に供給される燃料が低温であっても、燃料電池２が高温の状態であるので、ラジエータファン３５が駆動されて、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する燃料が冷却される。これにより、燃料電池２の発電効率を向上させることができる。
【００４７】
また、燃料出口温度が所定温度未満である場合には、燃料電池２に供給される燃料および燃料電池２の両方が低温の状態であるので、ラジエータファン３５が駆動されない。これにより、燃料および燃料電池２の温度を速やかに上昇させることができる。
【００４８】
燃料温度調整システム３は、燃料循環路３１を燃料循環タンク３２から燃料電池２に向けて流通する燃料と燃料循環路３１を燃料電池２から燃料循環タンク３２に向けて流通する燃料との間で熱交換させる熱交換器３６を含む。
【００４９】
熱交換器３６が設けられているので、燃料電池２から排出される燃料の熱を利用して、燃料電池２に向けて流通する燃料を昇温させることができる。そのため、燃料循環タンク３２内の燃料の温度が低いときに、その温度よりも高温の燃料を燃料電池２に供給することができる。その結果、燃料電池２の発電の開始後の早い時期から、燃料電池２の高効率な発電運転が可能となる。
【００５０】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００５１】
たとえば、前述の実施形態では、液体燃料を使用する燃料電池２を取り上げたが、水素ガスを使用する燃料電池など、他の種類の燃料電池を備える燃料電池システムに本発明が適用されてもよい。
【００５２】
その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００５３】
２    燃料電池
３    燃料温度調整システム
６    制御部（冷却制御手段）
７    燃料出口温度センサ（温度検出手段）
３１  燃料循環路
３２  燃料循環タンク
３４  ラジエータ（冷却装置）
３５  ラジエータファン（冷却装置）
３６  熱交換器
【図１】
2015065120.tif 000003
【図２】
2015065120.tif 000004