(57)【要約】【課題】発電停止時の燃料電池冷却のための消費電力を抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１と、燃料電池に冷媒を循環させる循環流路２と、冷媒の熱を放熱する熱交換器５と、この熱交換器を迂回して冷媒を流通させるバイパス流路６と、熱交換器に流通する冷媒の流量とバイパス流路に流通する冷媒の流量との分配割合を制御する流量制御手段７と、前記循環流路とバイパス流路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段４と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電停止時に、前記流量制御手段が前記循環流路とバイパス流路との総圧力損失に応じて、熱交換器に流通する冷媒流量とバイパス流路に流通する冷媒流量との分配割合を制御するとともに、前記冷媒循環手段が燃料電池に所定時間冷媒を前記燃料電池に循環させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素による電気化学反応を利用して発電する燃料電池と、
燃料電池を冷却する冷媒を循環させる循環流路と、
この循環流路に設置されて冷媒の熱を放熱する熱交換器と、
この熱交換器を迂回して循環流路に冷媒を流通させるバイパス流路と、
熱交換器に流通する冷媒の流量とバイパス流路に流通する冷媒の流量との分配割合を制御する流量制御手段と、
前記循環流路とバイパス流路内に冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池の発電停止時に、前記流量制御手段が前記循環流路とバイパス流路との総圧力損失に応じて、熱交換器に流通する冷媒流量とバイパス流路に流通する冷媒流量との分配割合を制御するとともに、前記冷媒循環手段が燃料電池に所定時間冷媒を前記燃料電池に循環させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記流量制御手段は、前記循環流路とバイパス流路とを合わせた総圧力損失が小さくなるように前記熱交換器に流通する冷媒の流量と前記バイパス流路に流通する冷媒の流量との分配割合を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流量制御手段は、前記総圧力損失が小さくなる分配割合が２つ以上存在する場合には、発電停止時の燃料電池温度と現在の流量制御手段の状態に応じて分配割合を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷媒循環手段が前記燃料電池の発電停止後に燃料電池に冷媒を循環させる前記所定時間は、発電停止時の燃料電池温度または発電中の負荷に応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記流量制御手段の運転条件と前記冷媒循環手段の運転条件に対する前記総圧力損失を算出する総圧力損失算出手段とを備え、
前記流量制御手段は、前記冷媒循環手段が吐出する所定の冷媒流量と算出された総圧力損失に基づいて総圧力損失が小さくなるように冷媒の分配割合を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記循環流路と前記バイパス流路の上流側分岐点の上流側に流路中の冷媒の圧力を検出する上流側冷媒圧力検出手段と、
前記循環流路と前記バイパス流路の下流側合流点の下流側に流路中の冷媒の圧力を検出する下流側冷媒圧力検出手段とを設け、
前記総圧力損失算出手段は、検出された上流側冷媒圧力と下流側冷媒圧力の圧力差に基づき前記総圧力損失を算出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記循環流路と前記バイパス流路の分岐点の下流側に流路中の冷媒の流量を検出する冷媒流量検出手段とを設け、
前記総圧力損失算出手段は、検出された冷媒流量に基づき総圧力損失を算出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの燃料極に燃料ガス（水素）を供給し、酸化剤極に酸素を供給し、水素と酸素との間で電気化学反応を生じさせて発電を行っている。この化学反応時に発熱が生じ、燃料電池が昇温するため、燃料電池を冷却するための冷却系統が設置され、燃料電池を所定温度に維持している。冷却系統は、燃料電池に冷媒を循環させる循環流路と、循環流路に設置された冷媒を循環させるための循環ポンプと、燃料電池との熱交換によって昇温した冷媒を冷却する熱交換器（例えば、ラジエータ）とから構成されている（特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１に記載の技術では、さらに熱交換器をバイパスするバイパス流路を設け、燃料電池から排出された冷媒が所定温度より高いときには熱交換器によって温度を下げられ、所定温度より低いときにはバイパス流路を通ってヒータにより加熱されて冷媒温度が上昇される。
【０００４】
また、燃料電池停止後のヒートソークバック対策として燃料電池の温度が上昇しないように燃料電池から排出された冷媒を発電停止後もポンプにより熱交換器に送り、冷媒温度を下げ、冷媒を燃料電池に導入する技術がある。なお、ヒートソークバックとは、燃料電池が発電を停止したときに、燃料電池の冷却系のポンプ等が停止するため燃料電池の冷却性能が低下し、一方、燃料電池の燃料の供給は、供給停止の信号に対して実際の供給停止までに遅れが生じるため、制御上の供給停止後も発電による発熱が生じ、燃料電池本体の温度が上昇する状態である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池システムの通常運転時においては、燃料電池が発電した電力を用いて循環ポンプを運転するため効率がよいが、燃料電池停止後にヒートソークバック対策として冷媒を循環させる場合には、循環ポンプは２次電池から電力を供給されて運転せざるを得ず、また冷媒が熱交換器を通過するために、圧力損失が大きいため循環ポンプの負荷が大きくなり、２次電池の消費電力が大きくなるという問題がある。
【０００７】
したがって、本発明においては、上記の技術的課題を鑑みて、燃料電池の停止後のヒートソークバック中は、冷媒の流れを制御して、一部をバイパス流路に流すことで全体としての圧力損失を低減し、循環ポンプの負荷を低下させ、消費電力を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池システムの発電停止時に、流量制御手段が前記循環流路とバイパス流路との総圧力損失に応じて、熱交換器に流通する冷媒流量とバイパス流路に流通する冷媒流量との分配割合を制御するとともに、冷媒循環手段が燃料電池に所定時間冷媒を前記燃料電池に循環させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、流路中の圧力損失を低減して冷媒循環手段の負荷を抑え、燃料電池発電停止時の燃料電池の冷却に要する消費電力を抑制できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する燃料電池を冷却する構成を説明する構成図である。燃料電池１を循環する冷媒流路２には、燃料電池１の温度を所定温度に維持するための冷媒が流通している。冷媒流路２には、冷媒を循環させるための循環ポンプ（冷媒循環手段）４と、燃料電池１との熱交換によって昇温した冷媒を降温させる熱交換器（例えば、ラジエータ）５が設置される。また、この熱交換器５をバイパスするバイパス流路６が設置され、冷媒流路２とバイパス流路６との分岐点に三方弁（流量制御手段）７が設置される。三方弁７は、冷媒の流れを制御し、熱交換器５が設置された冷媒流路２への冷媒流量とバイパス流路６への冷媒流量との分配割合を制御する。ここでは、三方弁７の開度が大きいほど冷媒は熱交換器５側に多く流通し、開度が小さいほど冷媒はバイパス流路６側に多く流通することとする。
【００１１】
さらに燃料電池１の運転を制御するコントローラ８と、燃料電池が発電した電力を蓄電する２次電池（蓄電池）９とが設置される。循環ポンプ４は、燃料電池運転時には燃料電池１の起電力により運転され、その運転条件はコントローラ８からの信号に基づいている。コントローラ８は、例えば、燃料電池１の運転条件や冷媒温度に応じて循環ポンプ４の運転条件を変化させ、冷媒の吐出量を調整する。また三方弁７は、燃料電池１の起電力により弁開度が変位し、その制御はコントローラ８からの信号に基づいている。また循環ポンプ４と三方弁７は、燃料電池１発電停止時には、２次電池９からの電力により作動する。
【００１２】
次にコントローラ８による制御内容を燃料電池の運転状態に分けて説明する。
【００１３】
通常運転時には、燃料電池１の発電時の発熱による温度上昇を抑制するため、循環流路２を流通する冷媒が燃料電池１から熱を奪い、燃料電池１を適正温度に維持するようにコントローラ８が循環ポンプ４と三方弁７を制御する。このとき冷媒は、循環流路２内を循環し、燃料電池１の温度等に応じてバイパス流路６を流通することになる。この冷媒を流通させる循環ポンプ４は燃料電池１の起電力により運転される。このような制御により、燃料電池の温度が適正温度に維持されて効率よく発電することができるとともに、燃料電池の寿命を延ばすことができる。
【００１４】
燃料電池１発電停止時には、燃料電池１がヒートソークバックにより昇温することを防止するために冷媒が燃料電池１に流される。このとき循環ポンプ４の電源は２次電池９である。燃料電池１から流出した冷媒が、熱交換器５に多く流入すると熱交換器５内の抵抗により循環流路２の圧力損失が大きくなり、循環ポンプ４の駆動負荷が大きく、消費電力が大きくなる。これにより、２次電池９の容量を大きくする必要が生じ、２次電池９の大型化を招くことになる。また、燃料電池１の停止後のヒートソークバックを防止するための冷媒は、全量を熱交換器５を通過させるほど低温である必要はなく、冷媒の一部を熱交換器５で熱交換すれば足りる。
【００１５】
したがって、コントローラ８は、燃料電池１発電停止時に、燃料電池１のヒートソークバックを防止するために冷媒が燃料電池１から奪うべき熱量を算出し、この算出された熱量に基づいて燃料電池１に流入する冷媒流量とその温度及び冷媒の循環時間を設定する。三方弁７は、設定された冷媒温度となるように冷媒を熱交換器５が設置された冷媒流路２とバイパス流路６との双方に冷媒を流す。また、循環ポンプ４は設定された吐出量で所定時間だけ稼動する。冷媒をバイパス流路６にも流通させることにより、熱交換器５とバイパス流路６とのトータルでの総圧力損失を低減することができ、循環ポンプ４の駆動負荷を低減し、２次電池９から供給される電力を抑制することができる。
【００１６】
なお、循環流路２を流通する冷媒の流量を一定とすると、熱交換器５とバイパス流路６との合計の圧力損失と循環ポンプ４の駆動負荷との間には相関関係がある。したがって予め実験等により、循環ポンプ４の回転速度と三方弁７の弁開度とに対応する圧力損失を求めておき、図２に示すようなマップとして記憶しておく。そして、このマップを用いて圧力損失の小さい運転条件となるように三方弁７の開度と循環ポンプ４の回転速度及び運転時間を制御する。これにより、循環ポンプ４の駆動負荷を低減して、運転効率を高め、２次電池９からの電力供給量を少なくできる。なお、三方弁７の開度が決まれば、一定流量で燃料電池１に供給される冷媒の温度が、燃料電池１から排出された冷媒の温度から一義的に設定されることは言うまでもない。
【００１７】
図３は本実施形態の制御内容を説明するコントローラ８が実施するフローチャートである。
【００１８】
まずステップ１で、燃料電池１の運転状態を判定し、発電停止状態であればステップ２に進み、発電状態であればステップ１に戻り、運転状態の判定を繰り返す。ステップ２では、温度センサ１２の出力から発電停止時の燃料電池１の温度を読み込み、ステップ３では読み込んだ燃料電池１の温度に基づいて燃料電池１のヒートソークバックを防止するために必要な熱量（燃料電池１から奪うべき熱量）を算出する。なお、発電停止時の燃料電池１の温度は、実測しても良いし、発電停止前の発電負荷の平均値から推定してもよい。
【００１９】
続くステップ４では、ステップ３で算出した熱量と予め記憶した図２に示すような圧力損失マップとからヒートソークバックの防止と循環ポンプ４の高効率運転とを両立する三方弁７の開度と循環ポンプ４の回転速度と運転時間を設定する。そしてステップ５とステップ６にて、ステップ４で設定した条件で循環ポンプ４と三方弁７を制御する。例えば、図２に示すデータでは、三方弁７の開度が循環ポンプ４の回転速度に依らず、２５％程度で圧力損失が最も低くなるため、三方弁７の開度を２５％とする。
【００２０】
続くステップ７で、燃料電池１の発電停止からの経過時間がヒートソークバックの終了時間（＝ステップ４で設定した循環ポンプ４の運転時間）以上かどうかを判定し、終了時間以上であれば、ヒートソークバックによる燃料電池１の加熱の恐れがないと判断し、ステップ８で循環ポンプ４を停止し、制御を終える。終了時間に達していなければステップ６に戻り、燃料電池１への冷媒の供給を継続する。
【００２１】
次に図４を参照して第２の実施形態を説明する。この実施形態は、第１の実施形態でマップとして持っていた熱交換器５とバイパス流路６との総圧力損失のデータを実際に検出するようにしている。具体的には、循環流路２とバイパス流路の上流側分岐点の上流の冷媒圧力を検出する第１圧力センサ１１を設け、また循環流路２とバイパス流路６との下流側合流点の下流の冷媒圧力を検出する第２圧力センサ１０とを設置し、圧力損失は、第１圧力センサ１１の検出圧力と第２圧力センサ１０の検出圧力との差圧として算出される。
【００２２】
図５のフローチャートを用いて本実施形態の制御方法を説明する。この制御は、コントローラ８によって行われるものである。
【００２３】
まずステップ１で、第１圧力センサ１１、第２圧力センサ１０の検出値から圧力損失を算出する。この圧力損失は三方弁７の弁開度と循環ポンプ４の回転速度に応じて算出され、図２に示すようなデータとして記憶する。圧力損失のデータをフローチャートの実施毎に記憶することで、循環ポンプ４の個体差や経時劣化による変化を三方弁７の開度によって補正することができる。
【００２４】
次にステップ２で、燃料電池１の運転状態を判定し、発電停止状態であればステップ３に進み、発電状態あればステップ２に戻る。ステップ３では、温度センサ１２の出力から発電停止時の燃料電池１の温度を読み込み、ステップ４では、ステップ３で読み込んだ燃料電池温度に基づいて燃料電池１のヒートソークバックを防止するために必要な熱量（燃料電池１から奪うべき熱量）を算出する。
【００２５】
続くステップ５では、ステップ４で算出した熱量とステップ１で記憶した図２に示すような圧力損失データとからヒートソークバックの防止と循環ポンプ４の高効率運転とを両立する三方弁７の開度と循環ポンプ４の回転速度と循環ポンプ４の運転時間を設定する。そしてステップ６とステップ７にて、ステップ５で設定した条件で循環ポンプ４と三方弁７を制御する。
【００２６】
続くステップ８で、燃料電池１の発電停止からの経過時間がヒートソークバックの終了時間（＝ステップ５で設定した循環ポンプ４の運転時間）以上かどうかを判定し、終了時間以上であれば、ヒートソークバックによる燃料電池１の温度上昇の恐れがないと判断し、ステップ９で循環ポンプ４を停止し、制御を終える。終了時間に達していなければステップ７に戻り、燃料電池１への冷媒の供給を継続する。
【００２７】
このように燃料電池システムに圧力損失を検出するための圧力センサを備えることで、圧力センサの検出値から循環ポンプ４の回転速度と三方弁７の開度とに対応する圧力損失を求め、ヒートソークバック時の三方弁７の開度を最も圧力損失の低い開度とすることができる。したがって、圧力損失を低減でき、循環ポンプ４の運転効率を向上し、２次電池９から循環ポンプ４に供給される電力を抑制することができる。また、圧力センサをシステムに設けることで、圧力損失のデータを制御実施毎に記憶し、循環ポンプ４の個体差や経時劣化による変化を三方弁７の開度によって補正することができる。
【００２８】
図６は、循環ポンプ４の回転速度と三方弁７の開度とに対応する圧力損失の特性の一例を示すもので、圧力損失が低くなる条件が２つある場合である。燃料電池の発電停止後、三方弁７の開度は、圧力損失の小さい開度に切り換えられる。ここで、圧力損失が低くなる条件が２つある場合には、燃料電池１の発電停止時の温度状態と現在の三方弁開度に応じて三方弁７の開度を設定する。
【００２９】
つまり、発電停止時の燃料電池１が低温である場合には、燃料電池１のヒートソークバック対策として、燃料電池１に冷媒を流す時間を短く設定することができるため、現在の三方弁開度から最も近い圧力損失の小さい開度に切り換える。例えば、図６で説明すると現状の開度が６０％であれば、切り換えられる開度は最も圧力損失の小さい開度２５％ではなく、現状開度に近い開度７５％とする。
【００３０】
また、発電停止時の燃料電池１の温度が高温である場合には、燃料電池１のヒートソークバック対策として、燃料電池１に冷媒を長時間流通させる必要があり、このような場合には、三方弁開度は最も圧力損失の小さい開度（２５％）に切り換える。
【００３１】
このような発電停止時の燃料電池１の温度状態と三方弁の開度状態に応じて、発電停止後の冷媒循環時間（＝循環ポンプ４の運転時間）と三方弁７の開度を制御することで、循環流路２内の圧力損失の低下による循環ポンプ４の効率の向上と運転時間の短縮とにより循環ポンプ４の消費電力を抑制できる。
【００３２】
図７に示す循環ポンプ４の回転速度と三方弁７の開度とに対応する圧力損失の特性は、循環ポンプ４のある回転速度を代表値とした場合の三方弁７の開度と圧力損失の特性図である。圧力損失が循環ポンプ４の回転速度に依らず、三方弁７の開度にのみ依存する場合には、循環ポンプ４の所定回転速度での圧力損失の特性を代表値として用い、代表値の特性図に基づいて三方弁７の開度を設定する。この場合には、三方弁７の開度のみにより圧力損失を推定できるので、制御を簡単にすることができる。
【００３３】
図８は、第３の実施形態の構成図である。この実施形態は、第１の実施形態の構成に対して、循環流路２とバイパス流路６の下流側合流点部分に流量計１３を設置したことを特徴とする。この流量計１３は、熱交換器５に流れる冷媒流量とバイパス流路６に流れる冷媒流量と総流量を検出する。
【００３４】
熱交換器５に流れる冷媒流量とバイパス流路６に流れる冷媒流量との総流量と圧力損失との間には相関関係があるため、熱交換器５に流れる冷媒流量とバイパス流路６に流れる冷媒流量との総流量を検出することで圧力損失を精度よく推定することができる。推定した圧力損失の低い条件で循環ポンプ４を運転することで、循環ポンプ４の効率が向上し、消費電力を抑制することができる。
【００３５】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムの冷却系の構成を示す図である。
【図２】循環ポンプの回転速度と三方弁の弁開度とに対応する圧力損失の一例を示す図である。
【図３】本発明の冷却系の制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図４】第２の実施形態の冷却系の構成を示す図である。
【図５】同じく冷却系の制御内容を説明するためのフローチャートである。
【図６】循環ポンプの回転速度と三方弁の弁開度とに対応する圧力損失の他の一例を示す図である。
【図７】循環ポンプの回転速度と三方弁の弁開度とに対応する圧力損失の他の一例を示す図である。
【図８】第３の実施形態の冷却系の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  循環流路
３  循環ポンプ
５  熱交換器
６  バイパス流路
７  三方弁
８  コントローラ
９  ２次電池
１０  圧力センサ
１１  圧力センサ
１２  温度センサ
１３  流量センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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