JP2005044605A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】氷点下起動時に消費電力の少ない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素と酸素により発電を行う燃料電池1と、燃料電池1に供給する純水を蓄える純水タンク2と、を有する燃料電池システムにおいて、純水タンク12の温度を検出する水温センサ13と温度センサ14と、燃料電池1に純水を供給するポンプ3と、ポンプ3を暖めるヒータ12と、氷点下起動時に水温センサ13と温度センサ14によって検出する温度に基づいて、ヒータ12の運転開始時期と終了時期とを決定するコントローラ15を備える。
【選択図】 図1
【解決手段】水素と酸素により発電を行う燃料電池1と、燃料電池1に供給する純水を蓄える純水タンク2と、を有する燃料電池システムにおいて、純水タンク12の温度を検出する水温センサ13と温度センサ14と、燃料電池1に純水を供給するポンプ3と、ポンプ3を暖めるヒータ12と、氷点下起動時に水温センサ13と温度センサ14によって検出する温度に基づいて、ヒータ12の運転開始時期と終了時期とを決定するコントローラ15を備える。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は氷点下起動時に消費電力小さい燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池冷却装置においては、冷却水の温度を検出する水温センサとスタックの冷却水入り口と出口との差圧を検出する差圧計とにより、冷却水温度及び差圧に基づいて、送水ポンプの送水量とヒータの容量を制御するものが、特許文献1に開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−352835号公報
【0004】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかし、上記の発明では、ポンプが純水タンク内にあるので、純水タンクが大きくなり、設計時の自由度が小さくなり、また凍結防止用のヒータはポンプ内で常に作動するために、消費電力が大きくなるといった問題がある。
【0005】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、小型で消費電力の小さい燃料電池システムを得ることを目的とする。
【0006】
【問題点を解決するための手段】
本発明では、燃料電池と、燃料電池に供給する純水を蓄える純水タンクとを有する燃料電池システムにおいて、純水タンクの温度を検出する温度検出手段と、純水タンクの純水を循環させる送水手段と、送水手段を暖める暖機手段と、氷点下起動時に、温度検出手段によって検出した純水タンクの温度によって暖機手段の暖機開始時期と暖機終了時期を決定する制御手段と、を備える。
【0007】
【作用及び効果】
本発明によると、燃料電池に純水タンクから純水を供給するポンプを純水タンクの外に配置することで、純水タンクを小型にすることができ、設計の自由度を上げることができる。また、氷点下起動時に凍結しているポンプに設けたヒータの運転開始時期と運転終了時期を純水タンクの温度によって決定するので、ヒータを常に作動させなくても良く、消費電力を抑えることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の構成を図1を用いて説明する。
【0009】
本発明の燃料電池システムは、水素と酸素との反応により発電し、外部へ電力を供給する燃料電池1と、燃料電池1での反応に必要な水を貯留する純水タンク2と、純水タンク2から燃料電池1に純水を循環するポンプ3と、氷点下時にポンプ3内の氷を解凍するためにポンプ3を加熱するヒータ12と、純水タンク2内で熱交換を行う熱媒体を加熱する熱交換器4と、純水タンクの温度を検出する水温センサ13と温度センサ14と、純水タンク2の温度を基にヒータ12を制御するコントローラ15と、から構成する。
【0010】
燃料電池1には、水素と酸素とによる反応を進めるために必要な純水を燃料電池1に供給する水透過型膜などからなる純水供給部6が設けられている。純水はポンプ3によって純水タンク2から流路7、8を通り、純水供給部6に送られ、純水供給部6によって純水の一部を燃料電池1に供給した後、残りの純水は流路9を通り、純水タンク2へ戻ってくる。
【0011】
純水タンク2にはタンク内の純水を暖める純水加熱部10が設けられ、純水が凍結した場合に、純水加熱部10内を熱交換器4によって暖められた熱媒体が循環し、凍結している氷を解凍する。また、純水タンク2では水温センサ13によって純水タンク2内の水温を、温度センサ14によって純水タンク2の温度を測定している。ここで、純水タンク2内の純水が凍結した場合は、ヒータなどを使用して氷を解凍しても良い。
【0012】
熱交換器4には熱交換流路11を設け、熱交換流路11は、図示しない燃料電池システム内の装置から発生し、回収された高温ガスなどと熱交換を行い、熱交換流路11内の熱媒体を暖める。熱交換流路11は流路5、16を介して冷却水路10とつながっており、熱媒体はポンプ17によって流路内を循環する。
【0013】
ポンプ3は純水タンク2の外部に設けられ、純水タンク2内の純水を燃料電池1に供給する。ポンプ3にはポンプ3が凍結した場合にその氷を解氷するヒータ12が取り付けられている。ポンプ3、ヒータ12について図2、3を用いて説明する。
【0014】
図2はポンプ3正面図であり、ヒータ12はポンプ3のフロントケーシング20にポンプ軸方向に4箇所取り付けている。
【0015】
図3は図2のA−A断面図である。ヒータ12は棒状のヒータであり、円筒状の頭部12aと、頭部12aと同軸上に頭部12aよりも径が小さい胴部12bとからなっており、胴部12bの外周部の一部にはおねじ12cが切ってある。
【0016】
ポンプ3ではポンプケース21をリアケーシング22とフロントケーシング20とによって両側から挟んで組み立てる。リアケーシング22には、ねめじ3aが切ってあり、ポンプケース21とフロントケーシング20にはリアケーシング22のめねじ3aと同軸上にヒータ12が通るための穴を設けている。ヒータ12をフロントケーシング20側から挿入し、めねじ3aにヒータ12のおねじ12cを螺合させることによって、リアケーシング22とポンプケース21とフロントケーシング20とを密着固定している。
【0017】
これによって、ポンプ3は熱伝達率が良くなり、ポンプ3の凍結の原因となるフロントケーシング20とリアケーシング22とに溜まる純水の氷を素早く解凍することができる。また、ポンプケース21が樹脂などの断熱材でできている場合でも、ヒータ12は全体が発熱するので、フロントケーシング20とリアケーシング22とを暖めることができる。
【0018】
また、図4に示すようにリアケーシング22にはヒータ12とは異なるヒータ18をポンプ3のリアケーシング22に少なくとも一つ設けることによって、より短い時間でポンプ3の凍結した純水を解凍できる。
【0019】
コントローラ15は水温センサー13によって検出した純水タンク2内の水温と、温度センサー14によって検出した純水タンク2の温度により、ヒータ12の制御を行う。
【0020】
次に図5に示すフローチャートを用いてコントローラ15の制御について説明する。
【0021】
ステップS101では温度センサー14によって純水タンク2の温度を検出し、その温度T1と或る設定温度Twを比較し、T1≧Twであった場合は、ポンプ3が凍結しておらず、純水タンク2から純水を燃料電池1に供給でき、ポンプ3によって流路に水を流しても途中で純水が凍結しないと判断し、ステップS106へ進みポンプ3を始動させ、燃料電池1に純水を供給する。T1<Twであった場合は、ポンプ3が凍結しており、また流路内で純水が凍結すると判断し、ステップS102へ進む。
【0022】
ステップS102ではステップS101によって検出された純水タンク2の温度に基づいて、純水タンク2内の純水が設定温度Twになるまでの時間twとポンプ3内の氷が解凍する時間を算出し、ヒータ12によるポンプ3の暖機を開始する時間t2を設定する。そしてステップS103ではステップS102の時間t2になるとヒータ12のスイッチを入れ、ポンプ3の暖機を開始し、ステップS104へ進む。
【0023】
ステップS104では、水温センサ13で純水タンク2内の水温T2を検出し、設定温度Twと比較する。T2≧Twとなるとポンプ3内の氷が解凍し、純水タンク2から燃料電池1に純水を供給しても流路内で凍結しなくなると判断し、ステップS105へ進む。
【0024】
ステップS105ではポンプ3内の氷は解凍しているので、ポンプ3のヒータ12を停止する。その後ステップS106へ進み、ポンプ3を始動させ純水タンク2内の純水を燃料電池1へ供給を開始する。
【0025】
次に本発明の燃料電池システムが氷点下起動する場合についてヒータ12のタイムチャートを、図6を用いて説明する。
【0026】
時間t0において本発明の燃料電池システムを起動し、このときの純水タンク2の温度がT1である。この温度T1により純水タンク2の純水が解凍され燃料電池1に純水を供給できる設定温度Twになるまでの時間twが計算され、またヒータ12によってポンプ3内の氷を解凍するまでの時間を計算し、ヒータ12のスイッチを入れる時間t2を決定する。
【0027】
時間t2において、ヒータ12のスイッチが入り、ポンプ3の暖機を開始し、ポンプ3内の氷を解凍し始める。
【0028】
時間twで純水タンク2の水温がTwとなるとヒータ12のスイッチを切り、ポンプ3のスイッチを入れ、純水タンク2から燃料電池1へ純水の供給を開始する。
【0029】
本発明の実施形態の効果について説明する。
【0030】
純水タンク2から燃料電池1に純水を供給するためのポンプ3を燃料電池1と純水タンク2との間に設けることにより、純水タンク2を小型にすることができ、燃料電池システムを設計する際に自由な設計ができる。
【0031】
氷点下起動時には純水タンク2の温度によってポンプ3の氷を解凍するために必要なヒータ12の暖機時間を算出し、ヒータ12の暖機開始時期を決定するので、少ない電力でポンプ3内の氷を解凍することができ、ヒータ12による消費電力を抑えることができる。
【0032】
また、ヒータ12による暖機を終了する際は、純水タンク2の水温センサによって純水タンク2の水温を検出し、水温が所定の温度に達すると暖機を終了するので、流路内での純水の凍結を正確に防止することができる。
【0033】
ポンプ3ではポンプケース21をフロントケーシング20とリアケーシング22とによって挟み、リアケーシング22に設けためねじにフロントケーシング20側より、先端をおねじを切ったヒータ12を挿入し、ねじ止めするので、ポンプケース21とフロントケーシング20とリアケーシング22とは密着固定し、ヒータ12の熱を効率良く伝達し、ポンプ3の氷を効率良く解凍することができる。
【0034】
ヒータ12とは異なるヒータ18をリアケーシング22に設けることにより、容積の大きいリアケーシング22をより素早く暖めることができ、ポンプ3内の氷を素早く溶かすことができる。
【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、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図2】ポンプの正面図である。
【図3】図2のポンプのA−A断面図である。
【図4】ヒータの取り付け図である。
【図5】コントローラのフローチャートである。
【図6】ヒータのタイムチャートである。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 純水タンク
3 ポンプ
4 熱交換器
5 熱媒体流路
6 純水供給部
10 純水加熱部
11 熱交換流路
12 ヒータ
13 水温センサ
14 温度センサ
15 コントローラ
20 フロントケーシング
21 ポンプケース
22 リアケーシング
【産業上の利用分野】
本発明は氷点下起動時に消費電力小さい燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池冷却装置においては、冷却水の温度を検出する水温センサとスタックの冷却水入り口と出口との差圧を検出する差圧計とにより、冷却水温度及び差圧に基づいて、送水ポンプの送水量とヒータの容量を制御するものが、特許文献1に開示されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2002−352835号公報
【0004】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかし、上記の発明では、ポンプが純水タンク内にあるので、純水タンクが大きくなり、設計時の自由度が小さくなり、また凍結防止用のヒータはポンプ内で常に作動するために、消費電力が大きくなるといった問題がある。
【0005】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、小型で消費電力の小さい燃料電池システムを得ることを目的とする。
【0006】
【問題点を解決するための手段】
本発明では、燃料電池と、燃料電池に供給する純水を蓄える純水タンクとを有する燃料電池システムにおいて、純水タンクの温度を検出する温度検出手段と、純水タンクの純水を循環させる送水手段と、送水手段を暖める暖機手段と、氷点下起動時に、温度検出手段によって検出した純水タンクの温度によって暖機手段の暖機開始時期と暖機終了時期を決定する制御手段と、を備える。
【0007】
【作用及び効果】
本発明によると、燃料電池に純水タンクから純水を供給するポンプを純水タンクの外に配置することで、純水タンクを小型にすることができ、設計の自由度を上げることができる。また、氷点下起動時に凍結しているポンプに設けたヒータの運転開始時期と運転終了時期を純水タンクの温度によって決定するので、ヒータを常に作動させなくても良く、消費電力を抑えることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の構成を図1を用いて説明する。
【0009】
本発明の燃料電池システムは、水素と酸素との反応により発電し、外部へ電力を供給する燃料電池1と、燃料電池1での反応に必要な水を貯留する純水タンク2と、純水タンク2から燃料電池1に純水を循環するポンプ3と、氷点下時にポンプ3内の氷を解凍するためにポンプ3を加熱するヒータ12と、純水タンク2内で熱交換を行う熱媒体を加熱する熱交換器4と、純水タンクの温度を検出する水温センサ13と温度センサ14と、純水タンク2の温度を基にヒータ12を制御するコントローラ15と、から構成する。
【0010】
燃料電池1には、水素と酸素とによる反応を進めるために必要な純水を燃料電池1に供給する水透過型膜などからなる純水供給部6が設けられている。純水はポンプ3によって純水タンク2から流路7、8を通り、純水供給部6に送られ、純水供給部6によって純水の一部を燃料電池1に供給した後、残りの純水は流路9を通り、純水タンク2へ戻ってくる。
【0011】
純水タンク2にはタンク内の純水を暖める純水加熱部10が設けられ、純水が凍結した場合に、純水加熱部10内を熱交換器4によって暖められた熱媒体が循環し、凍結している氷を解凍する。また、純水タンク2では水温センサ13によって純水タンク2内の水温を、温度センサ14によって純水タンク2の温度を測定している。ここで、純水タンク2内の純水が凍結した場合は、ヒータなどを使用して氷を解凍しても良い。
【0012】
熱交換器4には熱交換流路11を設け、熱交換流路11は、図示しない燃料電池システム内の装置から発生し、回収された高温ガスなどと熱交換を行い、熱交換流路11内の熱媒体を暖める。熱交換流路11は流路5、16を介して冷却水路10とつながっており、熱媒体はポンプ17によって流路内を循環する。
【0013】
ポンプ3は純水タンク2の外部に設けられ、純水タンク2内の純水を燃料電池1に供給する。ポンプ3にはポンプ3が凍結した場合にその氷を解氷するヒータ12が取り付けられている。ポンプ3、ヒータ12について図2、3を用いて説明する。
【0014】
図2はポンプ3正面図であり、ヒータ12はポンプ3のフロントケーシング20にポンプ軸方向に4箇所取り付けている。
【0015】
図3は図2のA−A断面図である。ヒータ12は棒状のヒータであり、円筒状の頭部12aと、頭部12aと同軸上に頭部12aよりも径が小さい胴部12bとからなっており、胴部12bの外周部の一部にはおねじ12cが切ってある。
【0016】
ポンプ3ではポンプケース21をリアケーシング22とフロントケーシング20とによって両側から挟んで組み立てる。リアケーシング22には、ねめじ3aが切ってあり、ポンプケース21とフロントケーシング20にはリアケーシング22のめねじ3aと同軸上にヒータ12が通るための穴を設けている。ヒータ12をフロントケーシング20側から挿入し、めねじ3aにヒータ12のおねじ12cを螺合させることによって、リアケーシング22とポンプケース21とフロントケーシング20とを密着固定している。
【0017】
これによって、ポンプ3は熱伝達率が良くなり、ポンプ3の凍結の原因となるフロントケーシング20とリアケーシング22とに溜まる純水の氷を素早く解凍することができる。また、ポンプケース21が樹脂などの断熱材でできている場合でも、ヒータ12は全体が発熱するので、フロントケーシング20とリアケーシング22とを暖めることができる。
【0018】
また、図4に示すようにリアケーシング22にはヒータ12とは異なるヒータ18をポンプ3のリアケーシング22に少なくとも一つ設けることによって、より短い時間でポンプ3の凍結した純水を解凍できる。
【0019】
コントローラ15は水温センサー13によって検出した純水タンク2内の水温と、温度センサー14によって検出した純水タンク2の温度により、ヒータ12の制御を行う。
【0020】
次に図5に示すフローチャートを用いてコントローラ15の制御について説明する。
【0021】
ステップS101では温度センサー14によって純水タンク2の温度を検出し、その温度T1と或る設定温度Twを比較し、T1≧Twであった場合は、ポンプ3が凍結しておらず、純水タンク2から純水を燃料電池1に供給でき、ポンプ3によって流路に水を流しても途中で純水が凍結しないと判断し、ステップS106へ進みポンプ3を始動させ、燃料電池1に純水を供給する。T1<Twであった場合は、ポンプ3が凍結しており、また流路内で純水が凍結すると判断し、ステップS102へ進む。
【0022】
ステップS102ではステップS101によって検出された純水タンク2の温度に基づいて、純水タンク2内の純水が設定温度Twになるまでの時間twとポンプ3内の氷が解凍する時間を算出し、ヒータ12によるポンプ3の暖機を開始する時間t2を設定する。そしてステップS103ではステップS102の時間t2になるとヒータ12のスイッチを入れ、ポンプ3の暖機を開始し、ステップS104へ進む。
【0023】
ステップS104では、水温センサ13で純水タンク2内の水温T2を検出し、設定温度Twと比較する。T2≧Twとなるとポンプ3内の氷が解凍し、純水タンク2から燃料電池1に純水を供給しても流路内で凍結しなくなると判断し、ステップS105へ進む。
【0024】
ステップS105ではポンプ3内の氷は解凍しているので、ポンプ3のヒータ12を停止する。その後ステップS106へ進み、ポンプ3を始動させ純水タンク2内の純水を燃料電池1へ供給を開始する。
【0025】
次に本発明の燃料電池システムが氷点下起動する場合についてヒータ12のタイムチャートを、図6を用いて説明する。
【0026】
時間t0において本発明の燃料電池システムを起動し、このときの純水タンク2の温度がT1である。この温度T1により純水タンク2の純水が解凍され燃料電池1に純水を供給できる設定温度Twになるまでの時間twが計算され、またヒータ12によってポンプ3内の氷を解凍するまでの時間を計算し、ヒータ12のスイッチを入れる時間t2を決定する。
【0027】
時間t2において、ヒータ12のスイッチが入り、ポンプ3の暖機を開始し、ポンプ3内の氷を解凍し始める。
【0028】
時間twで純水タンク2の水温がTwとなるとヒータ12のスイッチを切り、ポンプ3のスイッチを入れ、純水タンク2から燃料電池1へ純水の供給を開始する。
【0029】
本発明の実施形態の効果について説明する。
【0030】
純水タンク2から燃料電池1に純水を供給するためのポンプ3を燃料電池1と純水タンク2との間に設けることにより、純水タンク2を小型にすることができ、燃料電池システムを設計する際に自由な設計ができる。
【0031】
氷点下起動時には純水タンク2の温度によってポンプ3の氷を解凍するために必要なヒータ12の暖機時間を算出し、ヒータ12の暖機開始時期を決定するので、少ない電力でポンプ3内の氷を解凍することができ、ヒータ12による消費電力を抑えることができる。
【0032】
また、ヒータ12による暖機を終了する際は、純水タンク2の水温センサによって純水タンク2の水温を検出し、水温が所定の温度に達すると暖機を終了するので、流路内での純水の凍結を正確に防止することができる。
【0033】
ポンプ3ではポンプケース21をフロントケーシング20とリアケーシング22とによって挟み、リアケーシング22に設けためねじにフロントケーシング20側より、先端をおねじを切ったヒータ12を挿入し、ねじ止めするので、ポンプケース21とフロントケーシング20とリアケーシング22とは密着固定し、ヒータ12の熱を効率良く伝達し、ポンプ3の氷を効率良く解凍することができる。
【0034】
ヒータ12とは異なるヒータ18をリアケーシング22に設けることにより、容積の大きいリアケーシング22をより素早く暖めることができ、ポンプ3内の氷を素早く溶かすことができる。
【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、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図2】ポンプの正面図である。
【図3】図2のポンプのA−A断面図である。
【図4】ヒータの取り付け図である。
【図5】コントローラのフローチャートである。
【図6】ヒータのタイムチャートである。
【符号の説明】
1 燃料電池
2 純水タンク
3 ポンプ
4 熱交換器
5 熱媒体流路
6 純水供給部
10 純水加熱部
11 熱交換流路
12 ヒータ
13 水温センサ
14 温度センサ
15 コントローラ
20 フロントケーシング
21 ポンプケース
22 リアケーシング
Claims (4)
- 水素と酸素により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給する純水を蓄える純水タンクと、を有する燃料電池システムにおいて、
前記純水タンクの温度を検出する温度検出手段と
前記燃料電池に前記純水タンクから純水を循環させる送水手段と、
前記送水手段を暖める暖機手段と、
氷点下起動時に記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記暖機手段の暖機開始時期と暖機終了時期とを決定する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記温度検出手段が前記純水タンク内の温度を検出する温度センサと、前記純水タンク内の水温を検出する水温センサであり、
前記制御手段は前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記暖機手段の暖機開始時期を決定し、前記水温センサによって検出された水温に基づいて、前記暖機手段の暖機終了を決定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。 - 前記送水手段としてのポンプはフロントケーシングと、リアケーシングと、その間に挟み込ませるポンプケースと、を備え、
前記リアケーシングにめねじを設け、
前記暖機手段としてのヒータの外周の一部ににおねじを設け、
前記めねじに前記おねじを螺合することにより、前記フロントケーシングと前記リアケーシングとを結合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。 - 前記リアケーシングに前記ヒータとは異なる第2のヒータを取り付けることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
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