JP2001248934A - 熱エネルギー分配装置 - Google Patents

熱エネルギー分配装置

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JP2001248934A
JP2001248934A JP2000058073A JP2000058073A JP2001248934A JP 2001248934 A JP2001248934 A JP 2001248934A JP 2000058073 A JP2000058073 A JP 2000058073A JP 2000058073 A JP2000058073 A JP 2000058073A JP 2001248934 A JP2001248934 A JP 2001248934A
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Japan
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heat
distribution device
energy distribution
thermal energy
fuel cell
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Application number
JP2000058073A
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English (en)
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Kazuhiko Shinohara
和彦 篠原
Yusuke Okamoto
裕介 岡本
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 システムの総合効率を高めることができ、ま
た、極めて小型かつ簡素なシステムが実現できる、熱エ
ネルギー分配装置を提供すること。 【解決手段】 燃料電池からの廃熱を熱エネルギー分配
装置に導入すると共に、この分配装置から、熱エネルギ
ーを必要とする部品へ供給する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギー分配
装置、より具体的には、自動車等の熱エネルギー源と、
熱エネルギーを必要とする複数の部位を有するシステム
において、熱エネルギーを効率よく配分する方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、燃料電池等を搭載した自動車で
は、燃料電池本体だけでなく、燃料電池の高分子電解質
膜の乾燥を防止するため、加湿器が、水素極、酸素極共
に必要である。このため、燃料電池からの排出ガス中に
含まれる水素を燃焼させるなどして水を蒸発させてい
る。一方、燃料電池自体は、水素と酸素の反応による熱
により発熱するため、多くの熱エネルギーを排出しない
と装置温度が上昇し破損してしまう。そのため、大量の
熱エネルギーを熱媒体循環および装置とは別に設けられ
た熱交換器により外部に排出している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の燃料電池システムにあっては、十分なエネル
ギー量を持つ水素のうち、10%以上はスタックから排
出し、これを蒸発器等の熱源に再利用することによりシ
ステムの効率を高める努力がなされているものの、スタ
ックからの廃熱などは利用されずに排出されている。こ
のような従来のシステムにあっては、水素を有効に活用
できず総合効率を低下させてしまうという問題点と、燃
料電池本体の廃熱を再利用することなく外部に排出して
しまっているという問題点があった。
【0004】さらに、単純な熱移動手段を設けたとして
も、例えば、熱利用部品として水素貯蔵合金を考えた場
合、燃料電池等へ水素を供給するために、水素を放出す
るためにQの熱量と、貯蔵体の温度調節が必要となる
が、単純に燃料電池等からの排熱を貯蔵体に導入する
と、熱的にはQは導入できても温度の制御が困難であ
り、局所的に温度が高い部分や、低い部分ができてしま
う。そのため、精度の高い水素放出の制御が困難である
という問題もあった。
【0005】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、燃料電池からの廃熱を熱エネルギ
ー分配装置に導入すると共に、この分配装置から、熱エ
ネルギーを必要とする部品へ供給する構成としたことに
より、上記の問題点を解決することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために、請求項1に記載の発明は、熱エネルギー
を排出する熱源との間に熱移動経路を介し熱的に接続さ
れた熱交換器と、熱エネルギーを必要とする熱利用部品
との間にそれぞれ独立の熱移動経路を介して熱的に接続
された熱交換器において、熱利用部品と接続した複数の
熱交換器が、熱源に接続された熱交換器と、個々にヒー
トポンプを介して熱的に結合されており、これらのヒー
トポンプを独立して制御する制御部を有することを特徴
とするものである。
【0007】また、請求項2に記載の発明は、請求項1
に記載の熱エネルギー分配装置において、個々の熱利用
部品への熱移動経路が、ヒートパイプまたは熱媒体を充
填しこれを輸送するポンプを有する配管により構成され
ていることを特徴とするものである。
【0008】また、請求項3に記載の発明は、請求項1
または2に記載の熱エネルギー分配装置において、ヒー
トポンプはペルチエ素子であることを特徴とするもので
ある。
【0009】また、請求項4に記載の発明は、請求項1
乃至3のいずれかに記載の熱エネルギー分配装置におい
て、それぞれの熱移動経路に対し、ヒートポンプはそれ
ぞれ独立して熱エネルギーを双方向に伝達することを特
徴とするものである。
【0010】さらに、請求項5に記載の発明は、請求項
1乃至4のいずれかに記載の熱エネルギー分配装置にお
いて、熱源が少なくとも、内燃機関、燃料電池、モータ
ー、電力制御装置のうちいずれかを含み、熱利用部品が
少なくとも、蒸発器、水素貯蔵体、空調装置の何れか一
つを含むことを特徴とするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明による熱エネルギー
分配装置の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明
する。図1は、本発明による熱エネルギー分配装置の具
体的な実施の形態のシステム構成を示す図である。
【0012】この構成は、純水素運転の燃料電池システ
ムであり、水素吸蔵合金等の水素貯蔵体を内包する水素
貯蔵タンク1、加湿器2,3、燃料電池4、水素分離装
置5、排熱用熱交換器6からなっている。
【0013】例えば、ここで水素吸蔵合金としてLaN
5を使用すると、水素圧を0.2MPaと設定するた
めには水素吸蔵合金の温度を約25℃に設定する必要が
ある。また、このとき必要とする水素(燃料電池に供給
する)の量に依存して熱エネルギーが必要となる。この
量は水素1モルあたり約30kJ態度である。このよう
に、水素供給量を適切な状態に保つために貯蔵体を適切
な温度とこれに適切な熱量を供給する必要がある。ま
た、貯蔵体に水素を貯蔵する場合は、これとは逆に貯蔵
体から熱を取り出す必要がある。
【0014】一方、燃料電池からは、その出力にも依存
するが、数kW〜数十kWにおよぶ排熱がある。固体高
分子タイプの燃料電池の場合、その温度は80℃〜10
0℃程度であり、従来は冷却用のLLC等を媒体とし
て、ラジエターから排出されていた。
【0015】この燃料電池のLLC配管7を熱エネルギ
ー分配装置8のソース側9に接続する。また、ドレーン
側10の一つに水素貯蔵体へのLLC配管11を接続す
る。さらに、他のドレーン側に加湿器へのLLC配管1
2を接続する。それぞれのLLC配管は独立して循環ポ
ンプで駆動されている。分配器のそれぞれのドレーン側
は、ソースとペルチエヒートポンプ13で熱的に接続さ
れている。ドレーン側の温度はそれぞれ熱エネルギーを
必要とする熱利用側の温度にペルチエ素子により設定す
る。さらに、ソース側には、分配器のドレーン側で使用
しきれなかった熱エネルギーを排出するためのラジエタ
ーがLLC配管を介して接続されている。ここで、ドレ
ーン、ソースとそれぞれ示したが、例えば、水素貯蔵体
への水素の貯蔵時には、ドレーン側から熱がソース側に
逆流することも可能としている。
【0016】分配器は、それぞれの配管のソースおよび
ドレーンの接続部のINとOUTの温度とLLCの流量
から、それぞれの部位からの熱輸送量および、それぞれ
の部位への熱輸送量を検出する。熱エネルギーを要求す
る部品にはその要求量に応じてソースからペルチエ素子
により熱を供給し、また、熱を排出したい場合には、逆
に熱をドレーン側からソースに戻すこともできる。これ
らの熱操作をここの熱エネルギー利用部品毎に行なった
後、さらに熱が余る場合は排出用の熱交換器から大気に
排出される。また、この排出用の熱交換器への経路とソ
ースの間に、上記のドレーンと同様にペルチエ素子を組
み込んだ構成にすることにより、熱が足りない場合に
は、外気から熱をとり、ソース側に供給することも可能
な構成をとることができる。温度検出器の位置は、ここ
では熱分配器側に設置しているが、これらは、個々の部
品側につけることも可能である。
【0017】さらに、本発明のシステムにおいては、燃
料電池の水素極側の排水素をそのまま再度貯蔵体へ戻す
ことができる。この場合必要に応じて、水素を水と分離
するための水素分離装置をこの配管に設ける。
【0018】以上、本発明の一実施の形態を具体的な装
置構成を用いて示してきたが、本発明によれば、内燃機
関における廃熱の利用も実現できる。
【0019】上記の実施の形態の燃料電池システムにお
いて、本発明の熱エネルギー分配装置を用いない場合、
燃料電池からの排熱量をQ1、加湿器の要求熱量をQ
2,Q3、水素貯蔵体の要求熱量をQ4とすると、全体
の排熱量Qoutは、 Qout=Q4 また、必要とする熱量Qreqは、 Qreq=Q2+Q3+Q4 となる。
【0020】つまり、付加的に、Qreqのエネルギー
量だけは外部から供給する必要がある。しかし、本発明
の熱分配装置を用いることにより、必要となる熱量は、
Qreq−Qoutとなり、Qreq<Qoutの場合
はこの分を外部に排出する。この場合の排出量は、従来
の場合の排出量に比べ大幅に小さくなるため、ラジエタ
ーなどの熱交換器は小型のもので対応することができ
る。
【0021】また、この実施の形態では、水素吸蔵合金
による純水素運転の燃料電池を示したが、メタノール等
の改質器を有する燃料電池システムにおいても、改質器
の温度制御を本熱エネルギー分配装置により実現でき
る。
【0022】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明の
熱エネルギー分配装置を用いることにより、燃料電子シ
ステムにおける排熱の有効利用が可能となり、システム
の総合効率を高めることが可能となると共に、それぞれ
の熱源、熱利用部品個々の熱環境を一ヶ所で制御するこ
とができ、極めて小型かつ簡素なシステムが実現でき
る。
【0023】ところで、熱利用部品に必要な熱量をQr
eqとした場合、 Qreq=(Tin−Tout)×Cf×M ここで、Tin、Tout、Cf、Mは、それぞれ、熱
利用部品へ流入する直前の熱媒体の温度、同じく出口直
後の熱媒体の温度、熱媒体の比熱と熱媒体の熱量とす
る。熱利用部品の温度を一定に近づけるためには、Ti
n−Toutを小さくする必要がある。この場合、Qr
eqを一定に保つためには、Mを大きくしなければなら
ない。つまり、流量を高める必要があるが、従来は、こ
の流量は、排熱側の条件により決定されてしまい操作で
きなかったが、本システムを用いることによりこれらを
自由に設定することができるようになる、という特徴を
有している。そのため、極めて精度の高い熱利用が可能
となる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による熱エネルギー分配装置の具体的な
実施の形態のシステム構成を示す図である。
【図2】本発明による熱エネルギー分配装置の概略図で
ある。
【図3】従来技術による燃料電池システムの一例を示す
システム図である。
【符号の説明】
1 水素貯蔵タンク 2,3 加湿器 4 燃料電池 5 水素分離装置 6 排熱用熱交換器 7,11,12 LLC配管 8 熱エネルギー分配装置 9 熱エネルギー分配装置のソース側 10 熱エネルギー分配装置のドレーン側 13 ペルチエヒートポンプ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/06 H01M 8/06 G

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱エネルギーを排出する熱源との間に熱
    移動経路を介し熱的に接続された熱交換器と、熱エネル
    ギーを必要とする熱利用部品との間にそれぞれ独立の熱
    移動経路を介して熱的に接続された熱交換器において、
    熱利用部品と接続した複数の熱交換器が、熱源に接続さ
    れた熱交換器と、個々にヒートポンプを介して熱的に結
    合されており、これらのヒートポンプを独立して制御す
    る制御部を有することを特徴とする熱エネルギー分配装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の熱エネルギー分配装置
    において、 個々の熱利用部品への熱移動経路が、ヒートパイプまた
    は熱媒体を充填しこれを輸送するポンプを有する配管に
    より構成されていることを特徴とする熱エネルギー分配
    装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載の熱エネルギー
    分配装置において、 前記ヒートポンプはペルチエ素子であることを特徴とす
    る熱エネルギー分配装置。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかに記載の熱エ
    ネルギー分配装置において、 それぞれの熱移動経路に対し、ヒートポンプはそれぞれ
    独立して熱エネルギーを双方向に伝達することを特徴と
    する熱エネルギー分配装置。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至4のいずれかに記載の熱エ
    ネルギー分配装置において、 熱源が少なくとも、内燃機関、燃料電池、モーター、電
    力制御装置のうちいずれかを含み、熱利用部品が少なく
    とも、蒸発器、水素貯蔵体、空調装置の何れか一つを含
    むことを特徴とする熱エネルギー分配装置。
JP2000058073A 2000-03-03 2000-03-03 熱エネルギー分配装置 Pending JP2001248934A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007178043A (ja) * 2005-12-27 2007-07-12 Toshiba Corp 熱流制御システムおよびペルチェモジュール動作特性推定方法
WO2012132428A1 (ja) * 2011-03-30 2012-10-04 三洋電機株式会社 燃料電池モジュール

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007178043A (ja) * 2005-12-27 2007-07-12 Toshiba Corp 熱流制御システムおよびペルチェモジュール動作特性推定方法
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