JP2005158426A

JP2005158426A - 凍結防止装置

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Publication number: JP2005158426A
Application number: JP2003394103A
Authority: JP
Inventors: Masanao Kagami; 雅直鏡味; Toshiro Fujii; 俊郎藤井; Kazuo Yamada; 一穂山田; Tatsuyuki Hoshino; 辰幸星野; Takayuki Hirano; 貴之平野; Katsutoshi Jomaru; 勝俊城丸
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】この発明は、燃料電池システムの水素ポンプの凍結を防止することができる凍結防止装置を提供することを課題とする。
【解決手段】凍結防止装置の制御部１５は、システム停止時に温度センサ１４により検出された水素ポンプ８の温度Ｔが例えば基準温度ｔ１にまで低下すると、水素ポンプ８を所定時間だけ稼動し、これにより水素ポンプ８内に溜まった水分及び水分を含んだガスが水素ポンプ８の外部へ排出される。さらに、水素ポンプ８の温度Ｔが低下して基準温度ｔ２〜ｔｎに達するごとに、制御部１５は水素ポンプ８を所定時間だけ稼動させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、凍結防止装置に係り、特に燃料電池システムの水素ポンプの凍結を防止する凍結防止装置に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池システムがエネルギー源として注目されている。このような燃料電池システムでは、システムの運転停止時に外気の温度が例えば氷点下にまで低下すると、燃料電池本体から排出されるガスの流路上に設けられた排出弁や逆止弁等の制御弁においてガス中の水分が凝縮して凍結あるいは残留している水分が凍結し、これらの制御弁の開閉制御ができなくなってしまうことがある。その場合、制御弁の凍結が解消されるまでシステムを始動することができず、システム始動までに相当の時間を要することとなる。

これに対し、例えば特許文献１に開示された燃料電池システムの始動制御装置では、排出弁や逆止弁等の制御弁を暖気ボックス内に配置すると共に、ポンプの下流と暖気ボックスとを接続する分流流路及びこの分流流路を流通・遮断する分流弁等を設け、制御弁の凍結時には、ポンプを駆動すると共に分流弁を開いてポンプで断熱圧縮したガスを分流流路を介して暖気ボックス内に供給し、これにより制御弁を加熱して解凍している。

特開２００２−３１３３８９号公報

しかしながら、外気温度が例えば氷点下にまで低下すると、例えば水素ポンプの内部に存在するガス中の水分もこのポンプ内で凍結し、制御弁の凍結時に水素ポンプを駆動しようとしても、水素ポンプ内で凍結した氷によりこのポンプを駆動できないことがある。このようにポンプを駆動することができないと、たとえ特許文献１に記載された暖気ボックスを用いても制御弁を加熱できず、システムの始動に相当の時間がかかってしまう。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、燃料電池システムの水素ポンプの凍結を防止することができる凍結防止装置を提供することを目的とする。

この発明に係る凍結防止装置は、燃料電池システムの水素ポンプの凍結を防止する装置において、所定箇所の温度を検出するための温度検出手段と、燃料電池システムの運転停止時に、温度検出手段により検出された温度が予め設定された基準温度以下になると水素ポンプを稼動させてこの水素ポンプ内の水分及び水分を含んだガスを水素ポンプの外部へ排出する制御部とを備えるものである。
温度検出手段による温度が予め設定された基準温度以下になると、水素ポンプが稼動されて凍結のおそれがある水分及び水分を含んだガスが水素ポンプの外部へ排出されるため、外気温度が例えば氷点下にまで低下しても、水分の凍結に起因した水素ポンプの駆動不能状態を回避することができ、これにより水素ポンプを加熱する専用の加熱装置を設けなくても燃料電池システムは運転始動時に水素ポンプを容易に駆動することができる。

制御部は、互いに異なる複数の基準温度を有すると共に温度検出手段により検出された温度が各基準温度に達するごとに水素ポンプを所定時間だけ稼動させることが好ましい。
また、温度検出手段として、燃料電池システム内の温度を検出する温度センサを用いることができ、その場合、水素ポンプの温度を検出する温度センサを用いることができる。また、温度検出手段として、外気温度を検出する温度センサを用いることもできる。
また、水素ポンプは、回転式のポンプであることが好ましい。

制御部による水素ポンプの稼動時に燃料電池システムの水素流路を大気開放することにより、このとき水素ポンプ内から排出される水分及び水分を含んだガスを燃料電池システムの外部へ排出することが好ましく、それに加えて、この水素ポンプの稼動時に燃料電池システムの水素流路に水素を供給するための水素タンクから水素ポンプ内に水素を流すことがより好ましい。

この発明の凍結防止装置によれば、所定箇所の温度を検出するための温度検出手段と、燃料電池システムの運転停止時に温度検出手段により検出された温度が予め設定された基準温度以下になると水素ポンプを稼動させてこの水素ポンプ内の水分及び水分を含んだガスを水素ポンプの外部へ排出する制御部とを備えたので、水素ポンプの凍結を防止することができ、これにより燃料電池システムを早期に始動することができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に、この発明の実施の形態に係る凍結防止装置を備えた燃料電池システムの概略図を示す。このシステムは、水素と空気中の酸素の電気化学反応により発電する燃料電池本体（ＦＣスタック）１を有しており、この本体１で発生した電力を車両等の駆動源として使用することができる。また、この燃料電池システムは、燃料電池本体１の水素極に水素を供給するための水素流路２と、燃料電池本体１の酸素極に空気（酸素）を供給するための空気流路３とを有している。

水素流路２は、燃料電池本体１内を通って水素極に水素を供給するための本体側流路２ａと、この本体側流路２ａの供給側に接続された供給流路２ｂと、本体側流路２ａの排出側に接続された排出流路２ｃとを有している。供給流路２ｂには、高圧水素タンク４が接続されると共にこのタンク４の下流に第１圧力調整弁５及び第２圧力調整弁６が配置されている。一方、排出流路２ｃには、燃料電池本体１内の圧力を調整するための背圧調整弁７が配置されており、その下流にルーツ型コンプレッサ等からなる水素ポンプ８が配置され、さらにこのポンプ８の下流にシャットオフ弁９が配置されている。なお、シャットオフ弁９の下流は大気開放されている。
また、供給流路２ｂと排出流路２ｃとの間には、燃料電池本体１、第２圧力調整弁６及び背圧調整弁７を迂回するバイパス路１０が形成されており、このバイパス路１０の途中にシャットオフ弁１１が配置されている。また、水素ポンプ８の下流には、燃料電池本体１の本体側流路２ａから排出流路２ｃへ排出される水素オフガスを水素ポンプ８により供給流路２ｂへ循環させるための循環流路１２が形成されており、この循環流路１２の途中には供給流路２ｂから排出流路２ｃへのガスの逆流を防止する逆止弁１３が配置されている。

ここで、水素ポンプ８には、この水素ポンプ８の温度を検出するための温度センサ１４が取り付けられており、これら水素ポンプ８と温度センサ１４とがそれぞれ制御部１５に電気的に接続されている。この制御部１５は互いに異なる複数の基準温度ｔ１〜ｔｎを有しており、ここでｔ１＞ｔ２・・・＞ｔｎとする。なお、これら制御部１５と温度センサ１４とからこの発明の凍結防止装置が構成されている。

同様にして、空気流路３も、燃料電池本体１内を通って酸素極に空気（酸素）を供給するための本体側流路３ａと、この本体側流路３ａの供給側に接続された供給流路３ｂと、本体側流路３ａの排出側に接続された排出流路３ｃとを有しており、供給流路３ｂの上流と排出流路３ｃの下流は大気開放されている。これら供給流路３ｂ及び排出流路３ｃの途中には加湿モジュール１６が配置されている。また、供給流路３ｂには、加湿モジュール１６の上流にルーツ型コンプレッサ等からなるエアポンプ１７が配置されている。一方、排出流路３ｃには、加湿モジュール１６の上流に燃料電池本体１内の圧力を調整するための背圧調整弁１８が配置されている。

なお、通常運転時には、水素流路２における第１圧力調整弁５及び第２圧力調整弁６が開かれると共に背圧調整弁７の開度が調整され、シャットオフ弁９及びバイパス路１０のシャットオフ弁１１が閉じられる。また、空気流路３における背圧調整弁１８の開度が調整される。
この通常運転時には、水素流路２において高圧水素タンク４から供給流路２ｂに供給された水素が第１圧力調整弁５及び第２圧力調整弁６を経て所定の圧力に調整されて本体側流路２ａへ供給されると同時に、空気流路３においてエアポンプ１７により空気が供給流路３ｂを通って本体側流路３ａに供給され、このように燃料電池本体１内へ供給された水素と空気中の酸素とが電気化学反応することにより電力が発生される。このとき、水素流路２において、燃料電池本体１から排出流路２ｃに排出された水素オフガスの一部は水素ポンプ８により循環流路１２を通って供給流路２ｂに循環される。これにより水素オフガス中に含まれる未使用の水素が循環されて燃料電池本体１内で再使用される。

次に、燃料電池システムの運転が停止される際には、それに先立って、水素流路２における第２圧力調整弁６及び背圧調整弁７が閉じられると共に第１圧力調整弁５、シャットオフ弁９及びバイパス路１０のシャットオフ弁１１が開かれて、高圧水素タンク４からバイパス路１０を介して水素ポンプ８内に燃料電池本体１内を通していない乾燥した水素が流されて掃気される。その後、第１圧力調整弁５及びシャットオフ弁９が閉じられてシステムが停止される。従って、システム停止時は、図１に示されるように、第１圧力調整弁５、第２圧力調整弁６、背圧調整弁７及びシャットオフ弁９が閉じられ、バイパス路１０のシャットオフ弁１１が開かれている。

このように掃気した後にシステムが停止されても、燃料電池システム内の温度が低下するにつれて、水素流路２における水素ポンプ８内のガスに含まれる水分が凝縮してこの水素ポンプ８内に溜まるが、このシステム停止時において凍結防止装置の制御部１５は、温度センサ１４により検出された水素ポンプ８の温度Ｔが例えば基準温度ｔ１にまで低下すると、水素ポンプ８を所定時間だけ稼動し、これにより水素ポンプ８内に溜まった水分及び水分を含んだガスが水素ポンプ８の外部へ排出される。このとき、バイパス路１０、水素ポンプ８、循環流路１２とから閉回路が形成され、水素ポンプ８により断熱圧縮されたガスがこの閉回路内を循環するので、水素ポンプ８内の乾燥が促進される。
さらに、水素ポンプ８の温度Ｔが低下して基準温度ｔ２〜ｔｎに達するごとに、制御部１５は水素ポンプ８を所定時間だけ稼動させる。

このように凍結防止装置により、低温状態に凍結のおそれのある水分や水分を含んだガスが水素ポンプ８の外部に排出されるため、外気温度が例えば氷点下にまで低下しても、水分の凍結に起因した水素ポンプ８の駆動不能状態を回避することができる。従って、低温環境下でも燃料電池システムはその運転始動時に水素ポンプ８を容易に駆動することができ、これにより燃料電池システム内の暖気動作等を行ってこのシステムを早期に始動することができる。

また、制御部１５は複数の基準温度ｔ１〜ｔｎを有し、水素ポンプ８の温度Ｔがシステムの運転により高温状態になった後にシステム停止により次第に低下して基準温度ｔ１〜ｔｎのいずれかの値に達するごとに水素ポンプ８を所定時間だけ稼動させるため、水素ポンプ８内の水分や水分を含んだガスをこのポンプ８の外部へ効率よく排出することができる。

なお、上述の実施の形態において、制御部１５は、温度センサ１４による水素ポンプ８の温度Ｔが基準温度ｔ１〜ｔｎのいずれかの値に達して水素ポンプ８を稼動する際あるいは稼動後に、所定時間シャットオフ弁９を開いて大気開放することにより、このとき水素ポンプ８内から排出流路２ｃへ排出される液化した水分及び水分を含んだガスを燃料電池システムの外部へ排出することができる。このように低温環境下で凍結するおそれのある水分及び水分を含んだガスを燃料電池システムの外へ排出すれば、凍結のおそれがなくなり、システムの始動をより早期に行うことが可能となる。
また、このように水素ポンプ８を稼動する際にシャットオフ弁９を大気開放する場合、制御部１５はさらに燃料電池システムの第１圧力調整弁５を開いて高圧水素タンク４から水素を供給するようにしてもよい。このようにすれば、高圧水素タンク４から供給された水素がバイパス路１０を介して水素ポンプ８内に流されて、水素ポンプ８内の乾燥をより促進することができる。

また、図２に示されるように、燃料電池システムの水素流路２において燃料電池本体１を迂回するバイパス路を省略することもできる。この場合には、水素流路２における第１圧力調整弁５、第２圧力調整弁６、背圧調整弁７及びシャットオフ弁９を開いて水素流路２全体を掃気した後、第１圧力調整弁５及びシャットオフ弁９を閉じてシステムを停止し、さらにシステム停止後に温度センサ１４による水素ポンプ８の温度Ｔが基準温度ｔ１〜ｔｎのいずれかの値に達すると制御部１５が水素ポンプ８を所定時間だけ稼動するようにしても、水分及び水分を含んだガスを水素ポンプ８から排出することができ、上述の実施の形態と同様の効果が得られる。
さらに、このようにバイパス路を省略した場合、水素ポンプ８の稼動時に、上述のように制御部１５によりシャットオフ弁９を開いて大気開放すれば、水素ポンプ８から排出された水分及び水分を含んだガスを燃料電池システムの外部へ排出でき、さらに第１圧力調整弁５も開いて高圧水素タンク４から水素ポンプ８へ水素を流すことにより、水素ポンプ８内の乾燥を促進することもできる。

また、上述の実施の形態において、制御部１５は互いに異なる複数の基準温度ｔ１〜ｔｎを有していたが、その代わりに、１つの基準温度ｔｏのみを有して温度センサ１４による水素ポンプ８の温度Ｔがこの基準温度ｔｏにまで低下した際に、水素ポンプ８を稼動するようにしても、水分及び水分を含んだガスを水素ポンプ８から排出することができる。

また、水素ポンプ８の温度を検出する温度センサ１４の代わりに、温度検出手段として、例えば燃料電池本体１、弁及び配管などの燃料電池システム内の温度を検出する温度センサや、外気温度を測定する温度センサを用いることができる。
また、上述の実施の形態のように、水素ポンプ８としてルーツ型コンプレッサ等の回転式のポンプを使用すると、水切れがよく、水分及び水分を含んだガスを水素ポンプ８から効率よく排出することができる。

なお、上述の実施の形態における凍結防止装置と燃料電池システムが、バッテリ駆動型のシステムで、１つのバッテリを共用する場合には、燃料電池システムの運転始動時などに要する充電容量を確保するため、凍結防止装置の制御部１５は、バッテリの充電容量に応じて水素ポンプ８の稼動時間や、このポンプ８の回転数などを制御することが好ましい。

また、凍結防止装置を燃料電池システムに一体に設けてもよいが、上述の実施の形態のように、凍結防止装置を燃料電池システムから独立して設ければ、温度センサによる所定箇所の温度が基準温度にまで低下して水素ポンプ８を駆動する際に、停止している燃料電池システム全体を稼動させる必要がないので、省エネ効果が得られる。
また、凍結防止装置を燃料電池システムの停止時にだけ作動させるようにすれば、より高い省エネ効果が得られる。

この発明の実施の形態に係る凍結防止装置を備えた燃料電池システムを示す概略図である。この発明の実施の形態に係る凍結防止装置を備えた別の燃料電池システムを示す概略図である。

符号の説明

１燃料電池本体、２水素流路、２ａ，３ａ本体側流路、２ｂ，３ｂ供給流路、２ｃ，３ｃ排出流路、３空気流路、４高圧水素タンク、５第１圧力調整弁、６第２圧力調整弁、７，１８背圧調整弁、８水素ポンプ、９，１１シャットオフ弁、１０バイパス路、１２循環流路、１３逆止弁、１４温度センサ、１５制御部、１６加湿モジュール、１７エアポンプ。

Claims

燃料電池システムの水素ポンプの凍結を防止する装置において、
所定箇所の温度を検出するための温度検出手段と、
燃料電池システムの運転停止時に、前記温度検出手段により検出された温度が予め設定された基準温度以下になると水素ポンプを稼動させてこの水素ポンプ内の水分及び水分を含んだガスを水素ポンプの外部へ排出する制御部と
を備えることを特徴とする凍結防止装置。
前記制御部は、互いに異なる複数の基準温度を有すると共に前記温度検出手段により検出された温度が各基準温度に達するごとに前記水素ポンプを所定時間だけ稼動させることを特徴とする請求項１に記載の凍結防止装置。
前記温度検出手段は、燃料電池システム内の温度を検出する温度センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の凍結防止装置。
前記温度検出手段は、水素ポンプの温度を検出する温度センサであることを特徴とする請求項３に記載の凍結防止装置。
前記温度検出手段は、外気温度を検出する温度センサであることを特徴とする請求項１または２に記載の凍結防止装置。
水素ポンプは、回転式のポンプであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の凍結防止装置。
前記制御部による水素ポンプの稼動時に燃料電池システムの水素流路を大気開放することにより、このとき水素ポンプ内から排出される水分及び水分を含んだガスを燃料電池システムの外部へ排出することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の凍結防止装置。
前記制御部による水素ポンプの稼動時に、燃料電池システムの水素流路に水素を供給するための水素タンクから水素ポンプ内に水素を流すことを特徴とする請求項７に記載の凍結防止装置。