燃料電池システム
【課題】エネルギ消費を抑制しつつ燃料電池の水分除去を効率良く行うことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に冷媒を循環させるための冷媒循環系４とを備え、冷媒循環系４に、冷媒を保温状態で貯留可能な冷媒貯留部６１と、冷媒貯留部６１からの冷媒の燃料電池１０への供給を制御する貯留冷媒供給制御部５，５３，６２とを設けて、貯留冷媒供給制御部５，５３，６２が、燃料電池１０の掃気処理前あるいは掃気処理時に冷媒貯留部６１から冷媒を燃料電池１０に供給する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に冷媒を循環させるための冷媒循環系４とを備え、冷媒循環系４に、冷媒を保温状態で貯留可能な冷媒貯留部６１と、冷媒貯留部６１からの冷媒の燃料電池１０への供給を制御する貯留冷媒供給制御部５，５３，６２とを設けて、貯留冷媒供給制御部５，５３，６２が、燃料電池１０の掃気処理前あるいは掃気処理時に冷媒貯留部６１から冷媒を燃料電池１０に供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、該燃料電池に冷媒を循環させるための冷媒循環系と、を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムでは、燃料電池に供給された反応ガスの電気化学反応で発電を行うことになるが、その際に水が生成されることになる。このような生成水が発電停止後も燃料電池に残存していると、外気温が低下した場合に凍結し、次回発電始動時の効率を低下させる。
このため、燃料電池の発電始動時にヒータで加温した冷媒を燃料電池に供給して生成水の凍結を解除したり、燃料電池の発電停止直後に乾燥ガスを燃料電池に供給して生成水を予め排出する掃気処理を行う技術等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２０８４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記のような掃気処理を行う場合には、燃料電池が高い温度に維持されていた方が高い水分除去効率が得られ、短時間で掃気処理を終了できることになるが、燃料電池は発電中に温度が上下するため、例えば比較的温度が低い状態で発電を停止した場合に、その後の掃気処理での水分除去効率が低下してしまう可能性がある。このため、電気ヒータを用いて燃料電池の冷媒の温度を上げて燃料電池を高い温度に維持して掃気処理を行うことも考えられるが、昇温のために余分なエネルギ消費が必要になってしまう。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、エネルギ消費を抑制しつつ燃料電池の水分除去を効率良く行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池に冷媒を循環させるための冷媒循環系と、を備える燃料電池システムであって、前記冷媒循環系に、冷媒を保温状態で貯留可能な冷媒貯留部と、該冷媒貯留部からの冷媒の前記燃料電池への供給を制御する貯留冷媒供給制御部とを備え、前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の掃気処理前あるいは掃気処理時に前記冷媒貯留部から冷媒を前記燃料電池に供給するものである。
【０００６】
かかる構成によれば、冷媒循環系に設けられた冷媒貯留部に、発電時の熱交換によって昇温した高温の冷媒を保温状態で貯留しておき、燃料電池の発電停止後の掃気処理前あるいは掃気処理時に、貯留冷媒供給制御部がこの冷媒を燃料電池に供給することで、例えば燃料電池の温度が比較的低い状態で発電を停止した場合であっても、電気ヒータ等を用いることなく燃料電池を高い温度に維持して掃気処理を行うことができる。
前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の温度が前記冷媒貯留部に貯留されている前記冷媒の温度よりも低い場合に、当該冷媒を前記燃料電池に供給する。
【０００７】
かかる構成によれば、燃料電池の温度が比較的高い状態で発電を停止した場合に、冷媒貯留部に貯留されている冷媒によって却って燃料電池の温度を低下させてしまうことを抑制できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気ヒータ等を用いることなく発電停止後も燃料電池を掃気処理に好適な温度に維持することができるため、エネルギ消費を抑制しつつ掃気処理による燃料電池の水分除去を効率良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１０】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系（反応ガス供給系）２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系（反応ガス供給系）３、冷却水等の冷媒を流して燃料電池１の温度調節を行う冷媒配管系（冷媒循環系）４、システム全体を統合制御する制御装置（貯留冷媒供給制御部）５等を備えている。
【００１１】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。
【００１２】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。なお、加湿器２０は内部流路の切替により、酸化ガスを加湿せずに空気供給流路２１を介して燃料電池１０に供給可能となっている。
【００１３】
水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。
【００１４】
なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００１５】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。
【００１６】
レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。
【００１７】
インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。
【００１８】
本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置５から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。
【００１９】
インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
【００２０】
なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することができるし、また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。
【００２１】
本実施形態においては、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。
【００２２】
循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置５からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。
【００２３】
また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。
【００２４】
冷媒配管系４は、燃料電池１０内に設けられた冷却流路の入口５０ａと出口５０ｂとを燃料電池１０の外側でつなぐ冷媒配管５１と、冷媒配管５１の途中位置（例えば、中間位置）に設けられて燃料電池１０から排出された冷媒を冷却するラジエータ５２と、冷媒配管５１におけるラジエータ５２よりも入口５０ａ側であってこの入口５０ａに近接する位置に設けられて冷媒配管５１の冷媒を出口５０ｂ側から吸引し入口５０ａ側へ吐出する冷媒ポンプ（貯留冷媒供給制御部）５３と、冷媒配管５１における出口５０ｂの近傍の冷媒温度を検出する出口冷媒温度センサ５４と、を有している。
【００２５】
また、冷媒配管系４は、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも出口５０ｂ側とラジエータ５２及び冷媒ポンプ５３の間部分とを直接つなぐことでラジエータ５２をバイパスするバイパス配管５６と、バイパス配管５６と冷媒配管５１におけるラジエータ５２及び冷媒ポンプ５３の間部分との合流位置に設けられた三方切替弁５７とを備えている。この三方切替弁５７は、バイパス配管５６を閉塞して冷媒配管５１のラジエータ５２側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態と、冷媒配管５１のラジエータ５２側を閉塞してバイパス配管５６と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態と、に切り替える。
【００２６】
そして、本実施形態においては、冷媒配管系４が、冷媒配管５１のバイパス配管５６よりも出口５０ｂ側と三方切替弁５７及び冷媒ポンプ５３の間部分とを直接つなぐことでラジエータ５２及びバイパス配管５６をさらにバイパスするバイパス配管６０と、バイパス配管６０に設けられた蓄熱タンク（冷媒貯留部）６１と、バイパス配管６０と冷媒配管５１における三方切替弁５７及び冷媒ポンプ５３の間部分との合流位置に設けられた三方切替弁（貯留冷媒供給制御部）６２とを備えている。
【００２７】
ここで、三方切替弁６２は、バイパス配管６０を閉塞して冷媒配管５１の三方切替弁５７側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態と、冷媒配管５１の三方切替弁５７側を閉塞してバイパス配管６０つまり蓄熱タンク６１と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とに切り替えられる。
【００２８】
蓄熱タンク６１は、例えば、内側に冷媒を貯留可能な貯留部を有し、その外側に真空層を有する二重構造の温水ポットからなり、真空層による断熱によって貯留空間に貯留した冷媒を保温する。また、バイパス配管６０における蓄熱タンク６１の三方切替弁６２とは反対側には逆止弁６３が設けられている。この逆止弁６３は蓄熱タンク６１側への冷媒の流入を許容する一方、蓄熱タンク６１からの冷媒の逆流は抑止するものである。蓄熱タンク６１には、貯留部内の冷媒の温度を検出する貯留冷媒温度センサ６４が設けられている。
【００２９】
制御装置５は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００３０】
制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００３１】
図示略のイグニッションスイッチがオンされると、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置５で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。
【００３２】
そして、制御装置５は、イグニッションスイッチのオン中は常に出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃと貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａとを比較しており、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃが貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａよりも高い場合には、三方切替弁６２を、冷媒配管５１の三方切替弁５７側を閉塞してバイパス配管６０つまり蓄熱タンク６１と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とする。
【００３３】
すると、冷媒ポンプ５３の駆動で、燃料電池１０の出口５０ｂから吐出された冷媒がバイパス配管６０に流入し蓄熱タンク６１に導入される。これにより、蓄熱タンク６１内に貯留されていた冷媒が、より高い温度の冷媒と入れ替わり貯留される。
【００３４】
他方、制御装置５は、イグニッションスイッチのオン中、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃが貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａ以下の場合には、三方切替弁６２を、バイパス配管６０を閉塞して冷媒配管５１の三方切替弁５７側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とする。すると、冷媒ポンプ５３の駆動で、燃料電池１０の出口５０ｂから吐出された冷媒が蓄熱タンク６１に導入されることなく、三方切替弁５７の切替状態に応じてバイパス配管５６あるいはラジエータ５２を通って燃料電池１０に戻る。
【００３５】
つまり、制御装置５は、出口冷媒温度センサ５４による検出温度が所定温度よりも高い場合に、バイパス配管５６を閉塞して冷媒配管５１のラジエータ５２側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態として冷媒をラジエータ５２で冷却して燃料電池１０に戻す一方、出口冷媒温度センサ５４による検出温度が前記所定温度以下の場合に、冷媒配管５１のラジエータ５２側を閉塞してバイパス配管５６と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態として冷媒をそのまま燃料電池１０に戻す。このとき、蓄熱タンク６１内に貯留されていた冷媒が、より低い温度の冷媒と入れ替わり貯留されることはない。
【００３６】
そして、制御装置５は、イグニッションスイッチがオン状態からオフ状態に切り替えられると、水素タンク３０からの水素ガスの燃料極への供給を停止する一方、コンプレッサ２４は駆動状態とし、加湿器２０の内部流路の切替により、酸化ガスを加湿せずに空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給する掃気処理を行う。これにより、加湿されていない乾燥空気が燃料電池１０の酸化極に送られて、酸化極で生じていた水分を含んで排出され、燃料電池１０の酸化極の水分を除去する。そして、燃料電池１０のインピーダンス管理等で酸化極の水分の除去が確認されると制御装置５は掃気処理を終了し、コンプレッサ２４を停止状態とする。
【００３７】
このような掃気処理の開始時に、制御装置５は、一旦、三方切替弁５７を、冷媒配管５１のラジエータ５２側を閉塞してバイパス配管５６と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とし、三方切替弁６２を、バイパス配管６０を閉塞して冷媒配管５１の三方切替弁５７側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態として、冷媒ポンプ５３の駆動で燃料電池１０の冷媒をラジエータ５２で冷却することなくバイパス配管５６を介して燃料電池１０に戻す状態とする。
【００３８】
そして、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃと貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａとを比較し、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃが貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａ以上の場合には、そのままの状態を維持する一方、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃが貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａよりも低い場合には、三方切替弁６２を、冷媒配管５１の三方切替弁５７側を閉塞してバイパス配管６０つまり蓄熱タンク６１と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とする。
【００３９】
すると、冷媒ポンプ５３の駆動で、蓄熱タンク６１に貯留されていた高い温度の冷媒が燃料電池１０に送られることになる。これにより、燃料電池１０を高い温度に維持して掃気処理を行うことができる。
【００４０】
以上のように、本実施形態によれば、冷媒配管系４に設けられた蓄熱タンク６１に発電時の熱交換によって昇温した高温の冷媒を保温状態で貯留しておき、燃料電池１０の発電停止後の掃気処理時に燃料電池１０の温度が低い場合に、三方切替弁６２、冷媒ポンプ５３及び制御装置５が蓄熱タンク６１の高い温度の冷媒を燃料電池１０に供給することになる。
【００４１】
したがって、電気ヒータ等を用いることなく燃料電池１０を高い温度に維持することができるため、エネルギ消費を抑制しつつ発電停止後の掃気処理による燃料電池１０の水分除去を効率良く行うことができ、掃気処理を短時間で終了することができる。
【００４２】
なお、以上においては、燃料電池１０の温度が低い場合に掃気処理と同時に蓄熱タンク６１の高い温度の冷媒を燃料電池１０に流して燃料電池１０を加温する場合を例にとり説明したが、燃料電池１０の温度が低い場合に蓄熱タンク６１の高い温度の冷媒を燃料電池１０に流して燃料電池１０を加温した後に掃気処理を行っても良い。しかしながら、蒸発潜熱による燃料電池１０の温度低下の観点から加温と掃気処理とを同時に行うのがより好ましい。
【００４３】
また、以上においては、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも燃料電池１０側にバイパス配管６０及び蓄熱タンク６１を並列に設ける場合を例にとり説明したが、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも燃料電池１０とは反対側にバイパス配管６０及び蓄熱タンク６１を並列に設けても良い。
【００４４】
しかしながら、この場合、蓄熱タンク６１から冷媒を燃料電池１０に向けて吐出する際にラジエータ５２からの冷媒が蓄熱タンク６１に入り込んでしまうことがあるため、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも燃料電池１０側にバイパス配管６０及び蓄熱タンク６１を設けるのが良い。また、配管の長大による放熱を抑制する観点からも、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも燃料電池１０側にバイパス配管６０及び蓄熱タンク６１を設けるのが良い。
【００４５】
さらに、バッテリの電力を使用するのではなく、トラクションモータ１２の回生エネルギを利用して加熱を行うヒータを蓄熱タンク６１に設けても良い。
【００４６】
加えて、燃料電池１０の発電中であっても、蓄熱タンク６１内の冷媒の温度が燃料電池１０の温度よりも高い場合（出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃよりも貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａが高い場合）に、蓄熱タンク６１内の冷媒を燃料電池１０に送って、燃料電池１０を加温して発電効率向上に利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…燃料電池システム、４…冷媒配管系（冷媒循環系）、５…制御装置（貯留冷媒供給制御部）、１０…燃料電池、５３…冷媒ポンプ（貯留冷媒供給制御部）、６１…蓄熱タンク（冷媒貯留部）、６２…三方切替弁（貯留冷媒供給制御部）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、該燃料電池に冷媒を循環させるための冷媒循環系と、を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムでは、燃料電池に供給された反応ガスの電気化学反応で発電を行うことになるが、その際に水が生成されることになる。このような生成水が発電停止後も燃料電池に残存していると、外気温が低下した場合に凍結し、次回発電始動時の効率を低下させる。
このため、燃料電池の発電始動時にヒータで加温した冷媒を燃料電池に供給して生成水の凍結を解除したり、燃料電池の発電停止直後に乾燥ガスを燃料電池に供給して生成水を予め排出する掃気処理を行う技術等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２０８４２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記のような掃気処理を行う場合には、燃料電池が高い温度に維持されていた方が高い水分除去効率が得られ、短時間で掃気処理を終了できることになるが、燃料電池は発電中に温度が上下するため、例えば比較的温度が低い状態で発電を停止した場合に、その後の掃気処理での水分除去効率が低下してしまう可能性がある。このため、電気ヒータを用いて燃料電池の冷媒の温度を上げて燃料電池を高い温度に維持して掃気処理を行うことも考えられるが、昇温のために余分なエネルギ消費が必要になってしまう。
【０００４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、エネルギ消費を抑制しつつ燃料電池の水分除去を効率良く行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池に冷媒を循環させるための冷媒循環系と、を備える燃料電池システムであって、前記冷媒循環系に、冷媒を保温状態で貯留可能な冷媒貯留部と、該冷媒貯留部からの冷媒の前記燃料電池への供給を制御する貯留冷媒供給制御部とを備え、前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の掃気処理前あるいは掃気処理時に前記冷媒貯留部から冷媒を前記燃料電池に供給するものである。
【０００６】
かかる構成によれば、冷媒循環系に設けられた冷媒貯留部に、発電時の熱交換によって昇温した高温の冷媒を保温状態で貯留しておき、燃料電池の発電停止後の掃気処理前あるいは掃気処理時に、貯留冷媒供給制御部がこの冷媒を燃料電池に供給することで、例えば燃料電池の温度が比較的低い状態で発電を停止した場合であっても、電気ヒータ等を用いることなく燃料電池を高い温度に維持して掃気処理を行うことができる。
前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の温度が前記冷媒貯留部に貯留されている前記冷媒の温度よりも低い場合に、当該冷媒を前記燃料電池に供給する。
【０００７】
かかる構成によれば、燃料電池の温度が比較的高い状態で発電を停止した場合に、冷媒貯留部に貯留されている冷媒によって却って燃料電池の温度を低下させてしまうことを抑制できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電気ヒータ等を用いることなく発電停止後も燃料電池を掃気処理に好適な温度に維持することができるため、エネルギ消費を抑制しつつ掃気処理による燃料電池の水分除去を効率良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００１０】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系（反応ガス供給系）２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系（反応ガス供給系）３、冷却水等の冷媒を流して燃料電池１の温度調節を行う冷媒配管系（冷媒循環系）４、システム全体を統合制御する制御装置（貯留冷媒供給制御部）５等を備えている。
【００１１】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池１０とトラクションモータ１２との間に配置されるインバータやＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。また、燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１３が取り付けられている。
【００１２】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。なお、加湿器２０は内部流路の切替により、酸化ガスを加湿せずに空気供給流路２１を介して燃料電池１０に供給可能となっている。
【００１３】
水素ガス配管系３は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。
【００１４】
なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００１５】
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、インジェクタ３５と、が設けられている。また、インジェクタ３５の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力及び温度を検出する一次側圧力センサ４１及び温度センサ４２が設けられている。また、インジェクタ３５の下流側であって水素供給流路３１と循環流路３２との合流部の上流側には、水素供給流路３１内の水素ガスの圧力を検出する二次側圧力センサ４３が設けられている。
【００１６】
レギュレータ３４は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ３４として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。
【００１７】
インジェクタ３５は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３５は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。
【００１８】
本実施形態においては、インジェクタ３５の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階又は多段階に切り替えることができるようになっている。制御装置５から出力される制御信号によってインジェクタ３５のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。
【００１９】
インジェクタ３５は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ３５のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側（燃料電池１０側）に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
【００２０】
なお、インジェクタ３５の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ３５下流に供給されるガス圧力がインジェクタ３５上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ３５を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することができるし、また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ３５の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。
【００２１】
本実施形態においては、水素供給流路３１と循環流路３２との合流部Ａ１より上流側にインジェクタ３５を配置している。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の水素タンク３０を採用する場合には、各水素タンク３０から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側にインジェクタ３５を配置するようにする。
【００２２】
循環流路３２には、気液分離器３６及び排気排水弁３７を介して、排出流路３８が接続されている。気液分離器３６は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３７は、制御装置５からの指令によって作動することにより、気液分離器３６で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。
【００２３】
また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３９が設けられている。なお、排気排水弁３７及び排出流路３８を介して排出される水素オフガスは、希釈器４０によって希釈されて排気流路２３内の酸化オフガスと合流するようになっている。
【００２４】
冷媒配管系４は、燃料電池１０内に設けられた冷却流路の入口５０ａと出口５０ｂとを燃料電池１０の外側でつなぐ冷媒配管５１と、冷媒配管５１の途中位置（例えば、中間位置）に設けられて燃料電池１０から排出された冷媒を冷却するラジエータ５２と、冷媒配管５１におけるラジエータ５２よりも入口５０ａ側であってこの入口５０ａに近接する位置に設けられて冷媒配管５１の冷媒を出口５０ｂ側から吸引し入口５０ａ側へ吐出する冷媒ポンプ（貯留冷媒供給制御部）５３と、冷媒配管５１における出口５０ｂの近傍の冷媒温度を検出する出口冷媒温度センサ５４と、を有している。
【００２５】
また、冷媒配管系４は、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも出口５０ｂ側とラジエータ５２及び冷媒ポンプ５３の間部分とを直接つなぐことでラジエータ５２をバイパスするバイパス配管５６と、バイパス配管５６と冷媒配管５１におけるラジエータ５２及び冷媒ポンプ５３の間部分との合流位置に設けられた三方切替弁５７とを備えている。この三方切替弁５７は、バイパス配管５６を閉塞して冷媒配管５１のラジエータ５２側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態と、冷媒配管５１のラジエータ５２側を閉塞してバイパス配管５６と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態と、に切り替える。
【００２６】
そして、本実施形態においては、冷媒配管系４が、冷媒配管５１のバイパス配管５６よりも出口５０ｂ側と三方切替弁５７及び冷媒ポンプ５３の間部分とを直接つなぐことでラジエータ５２及びバイパス配管５６をさらにバイパスするバイパス配管６０と、バイパス配管６０に設けられた蓄熱タンク（冷媒貯留部）６１と、バイパス配管６０と冷媒配管５１における三方切替弁５７及び冷媒ポンプ５３の間部分との合流位置に設けられた三方切替弁（貯留冷媒供給制御部）６２とを備えている。
【００２７】
ここで、三方切替弁６２は、バイパス配管６０を閉塞して冷媒配管５１の三方切替弁５７側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態と、冷媒配管５１の三方切替弁５７側を閉塞してバイパス配管６０つまり蓄熱タンク６１と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とに切り替えられる。
【００２８】
蓄熱タンク６１は、例えば、内側に冷媒を貯留可能な貯留部を有し、その外側に真空層を有する二重構造の温水ポットからなり、真空層による断熱によって貯留空間に貯留した冷媒を保温する。また、バイパス配管６０における蓄熱タンク６１の三方切替弁６２とは反対側には逆止弁６３が設けられている。この逆止弁６３は蓄熱タンク６１側への冷媒の流入を許容する一方、蓄熱タンク６１からの冷媒の逆流は抑止するものである。蓄熱タンク６１には、貯留部内の冷媒の温度を検出する貯留冷媒温度センサ６４が設けられている。
【００２９】
制御装置５は、車両に設けられた加速操作装置（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ１２等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ１２のほかに、燃料電池１０を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ２４、水素ポンプ３９、冷却ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
【００３０】
制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００３１】
図示略のイグニッションスイッチがオンされると、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置５で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。
【００３２】
そして、制御装置５は、イグニッションスイッチのオン中は常に出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃと貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａとを比較しており、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃが貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａよりも高い場合には、三方切替弁６２を、冷媒配管５１の三方切替弁５７側を閉塞してバイパス配管６０つまり蓄熱タンク６１と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とする。
【００３３】
すると、冷媒ポンプ５３の駆動で、燃料電池１０の出口５０ｂから吐出された冷媒がバイパス配管６０に流入し蓄熱タンク６１に導入される。これにより、蓄熱タンク６１内に貯留されていた冷媒が、より高い温度の冷媒と入れ替わり貯留される。
【００３４】
他方、制御装置５は、イグニッションスイッチのオン中、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃが貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａ以下の場合には、三方切替弁６２を、バイパス配管６０を閉塞して冷媒配管５１の三方切替弁５７側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とする。すると、冷媒ポンプ５３の駆動で、燃料電池１０の出口５０ｂから吐出された冷媒が蓄熱タンク６１に導入されることなく、三方切替弁５７の切替状態に応じてバイパス配管５６あるいはラジエータ５２を通って燃料電池１０に戻る。
【００３５】
つまり、制御装置５は、出口冷媒温度センサ５４による検出温度が所定温度よりも高い場合に、バイパス配管５６を閉塞して冷媒配管５１のラジエータ５２側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態として冷媒をラジエータ５２で冷却して燃料電池１０に戻す一方、出口冷媒温度センサ５４による検出温度が前記所定温度以下の場合に、冷媒配管５１のラジエータ５２側を閉塞してバイパス配管５６と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態として冷媒をそのまま燃料電池１０に戻す。このとき、蓄熱タンク６１内に貯留されていた冷媒が、より低い温度の冷媒と入れ替わり貯留されることはない。
【００３６】
そして、制御装置５は、イグニッションスイッチがオン状態からオフ状態に切り替えられると、水素タンク３０からの水素ガスの燃料極への供給を停止する一方、コンプレッサ２４は駆動状態とし、加湿器２０の内部流路の切替により、酸化ガスを加湿せずに空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給する掃気処理を行う。これにより、加湿されていない乾燥空気が燃料電池１０の酸化極に送られて、酸化極で生じていた水分を含んで排出され、燃料電池１０の酸化極の水分を除去する。そして、燃料電池１０のインピーダンス管理等で酸化極の水分の除去が確認されると制御装置５は掃気処理を終了し、コンプレッサ２４を停止状態とする。
【００３７】
このような掃気処理の開始時に、制御装置５は、一旦、三方切替弁５７を、冷媒配管５１のラジエータ５２側を閉塞してバイパス配管５６と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とし、三方切替弁６２を、バイパス配管６０を閉塞して冷媒配管５１の三方切替弁５７側と冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態として、冷媒ポンプ５３の駆動で燃料電池１０の冷媒をラジエータ５２で冷却することなくバイパス配管５６を介して燃料電池１０に戻す状態とする。
【００３８】
そして、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃと貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａとを比較し、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃが貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａ以上の場合には、そのままの状態を維持する一方、出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃが貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａよりも低い場合には、三方切替弁６２を、冷媒配管５１の三方切替弁５７側を閉塞してバイパス配管６０つまり蓄熱タンク６１と冷媒配管５１の冷媒ポンプ５３側とを接続させる状態とする。
【００３９】
すると、冷媒ポンプ５３の駆動で、蓄熱タンク６１に貯留されていた高い温度の冷媒が燃料電池１０に送られることになる。これにより、燃料電池１０を高い温度に維持して掃気処理を行うことができる。
【００４０】
以上のように、本実施形態によれば、冷媒配管系４に設けられた蓄熱タンク６１に発電時の熱交換によって昇温した高温の冷媒を保温状態で貯留しておき、燃料電池１０の発電停止後の掃気処理時に燃料電池１０の温度が低い場合に、三方切替弁６２、冷媒ポンプ５３及び制御装置５が蓄熱タンク６１の高い温度の冷媒を燃料電池１０に供給することになる。
【００４１】
したがって、電気ヒータ等を用いることなく燃料電池１０を高い温度に維持することができるため、エネルギ消費を抑制しつつ発電停止後の掃気処理による燃料電池１０の水分除去を効率良く行うことができ、掃気処理を短時間で終了することができる。
【００４２】
なお、以上においては、燃料電池１０の温度が低い場合に掃気処理と同時に蓄熱タンク６１の高い温度の冷媒を燃料電池１０に流して燃料電池１０を加温する場合を例にとり説明したが、燃料電池１０の温度が低い場合に蓄熱タンク６１の高い温度の冷媒を燃料電池１０に流して燃料電池１０を加温した後に掃気処理を行っても良い。しかしながら、蒸発潜熱による燃料電池１０の温度低下の観点から加温と掃気処理とを同時に行うのがより好ましい。
【００４３】
また、以上においては、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも燃料電池１０側にバイパス配管６０及び蓄熱タンク６１を並列に設ける場合を例にとり説明したが、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも燃料電池１０とは反対側にバイパス配管６０及び蓄熱タンク６１を並列に設けても良い。
【００４４】
しかしながら、この場合、蓄熱タンク６１から冷媒を燃料電池１０に向けて吐出する際にラジエータ５２からの冷媒が蓄熱タンク６１に入り込んでしまうことがあるため、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも燃料電池１０側にバイパス配管６０及び蓄熱タンク６１を設けるのが良い。また、配管の長大による放熱を抑制する観点からも、冷媒配管５１のラジエータ５２よりも燃料電池１０側にバイパス配管６０及び蓄熱タンク６１を設けるのが良い。
【００４５】
さらに、バッテリの電力を使用するのではなく、トラクションモータ１２の回生エネルギを利用して加熱を行うヒータを蓄熱タンク６１に設けても良い。
【００４６】
加えて、燃料電池１０の発電中であっても、蓄熱タンク６１内の冷媒の温度が燃料電池１０の温度よりも高い場合（出口冷媒温度センサ５４による検出温度Ｔｆｃよりも貯留冷媒温度センサ６４による検出温度Ｔａが高い場合）に、蓄熱タンク６１内の冷媒を燃料電池１０に送って、燃料電池１０を加温して発電効率向上に利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…燃料電池システム、４…冷媒配管系（冷媒循環系）、５…制御装置（貯留冷媒供給制御部）、１０…燃料電池、５３…冷媒ポンプ（貯留冷媒供給制御部）、６１…蓄熱タンク（冷媒貯留部）、６２…三方切替弁（貯留冷媒供給制御部）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池に冷媒を循環させるための冷媒循環系と、を備える燃料電池システムであって、
前記冷媒循環系に、冷媒を保温状態で貯留可能な冷媒貯留部と、該冷媒貯留部からの冷媒の前記燃料電池への供給を制御する貯留冷媒供給制御部とを備え、
前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の掃気処理前あるいは掃気処理時に前記冷媒貯留部から冷媒を前記燃料電池に供給する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の温度が前記冷媒貯留部に貯留されている前記冷媒の温度よりも低い場合に、当該冷媒を前記燃料電池に供給する燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池に冷媒を循環させるための冷媒循環系と、を備える燃料電池システムであって、
前記冷媒循環系に、冷媒を保温状態で貯留可能な冷媒貯留部と、該冷媒貯留部からの冷媒の前記燃料電池への供給を制御する貯留冷媒供給制御部とを備え、
前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の掃気処理前あるいは掃気処理時に前記冷媒貯留部から冷媒を前記燃料電池に供給する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記貯留冷媒供給制御部は、前記燃料電池の温度が前記冷媒貯留部に貯留されている前記冷媒の温度よりも低い場合に、当該冷媒を前記燃料電池に供給する燃料電池システム。
【図１】
【公開番号】特開２００８−２１８１６４（Ｐ２００８−２１８１６４Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５３２８０（Ｐ２００７−５３２８０）
【出願日】平成１９年３月２日（２００７．３．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２日（２００７．３．２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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