JP2005228477A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system suitable for mounting in a vehicle.
従来、特開平8−185877号公報に開示されているように、冷却機構と加湿機構を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池は、その内部に配置される電解質が適度な湿潤状態にあると良好な電気特性を示す。上記従来のシステムによれば、加湿機構を用いて電解質を加湿することができるため、燃料電池を効率的に作動させることができる。また、燃料電池における電極反応は発熱反応であるため、安定した運転状態を持続させるためには、その内部を冷却することが必須である。上記従来のシステムによれば、冷却機構を用いることで、その要求を満たすことができる。 Conventionally, as disclosed in JP-A-8-185877, a fuel cell system provided with a cooling mechanism and a humidifying mechanism is known. A fuel cell exhibits good electrical characteristics when the electrolyte disposed therein is in a moderately wet state. According to the above conventional system, the electrolyte can be humidified using the humidification mechanism, so that the fuel cell can be operated efficiently. In addition, since the electrode reaction in the fuel cell is an exothermic reaction, it is essential to cool the inside in order to maintain a stable operation state. According to the conventional system, the requirement can be satisfied by using the cooling mechanism.
ところで、燃料電池の加湿には、種々の不都合を避けるため、純水を用いることが必要である。一方、冷却水の凍結を避けるためには、冷却水に不凍液を混合しておくことが必要である。そこで、上記従来のシステムは、燃料電池の冷却経路には不凍液を含む冷却水を循環させ、その一方で、不凍液と水とを分離する装置を用いて、不凍液を含む冷却水から分離した純水により電解質を加湿することとしている。 By the way, it is necessary to use pure water to humidify the fuel cell in order to avoid various disadvantages. On the other hand, in order to avoid freezing of the cooling water, it is necessary to mix an antifreeze with the cooling water. Therefore, the above-described conventional system circulates cooling water containing antifreeze liquid in the cooling path of the fuel cell, while using pure water separated from the cooling water containing antifreeze liquid using a device that separates the antifreeze liquid and water. Therefore, the electrolyte is humidified.
このような構成によれば、不凍液を含む冷却水の供給・循環機構と、不凍液を含まない純水の供給・循環機構とを別個独立に準備するのを避けつつ、加湿に関する要求と、凍結防止に関する要求の双方を満たすことができる。この点、上記従来のシステムは、安価な構成により、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させ得るという優れた特長を有するものである。 According to such a configuration, the requirement for humidification and the prevention of freezing can be avoided while avoiding separately preparing the supply / circulation mechanism of cooling water containing antifreeze and the supply / circulation mechanism of pure water not containing antifreeze. Both requirements can be met. In this regard, the above-described conventional system has an excellent feature that the fuel cell can be stably and efficiently operated with an inexpensive configuration.
しかしながら、上述した従来のシステムでは、燃料電池の作動中常に、不凍液と純水とを分離する分離機構を稼働させておくことが必要である。分離機構の劣化は、その稼働時間が長いほど当然に進行し易い。このため、上記従来のシステムは、分離機構を早期に劣化させ易いという特性を有するものであった。 However, in the conventional system described above, it is necessary to operate a separation mechanism that separates the antifreeze and pure water at all times during operation of the fuel cell. Naturally, the deterioration of the separation mechanism is more likely to proceed as the operating time is longer. For this reason, the conventional system has a characteristic that the separation mechanism is easily deteriorated at an early stage.
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、安価な構成により、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させることができ、更に、不凍液と水を分離する分離機構に対して過剰な負担をかけることのない燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. The fuel cell can be stably and efficiently operated with an inexpensive configuration, and further, a separation mechanism for separating the antifreeze liquid and water. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that does not place an excessive burden on the fuel cell system.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池を純水の冷却水で冷却する冷却機構と、
前記燃料電池に供給される反応ガスを前記冷却水により加湿する加湿機構と、
前記燃料電池の運転停止中であり、かつ、前記冷却水の凍結が予想される低温環境下でのみ、前記冷却水を不凍液と混合する不凍液混合機構と、
前記冷却水と前記不凍液との分離が要求される状況下で、前記不凍液混合機構により混合された冷却水を前記不凍液から分離する冷却水分離機構と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a first invention is a fuel cell system,
A fuel cell;
A cooling mechanism for cooling the fuel cell with pure water cooling water;
A humidifying mechanism for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell with the cooling water;
An antifreeze mixing mechanism that mixes the cooling water with the antifreeze only under a low temperature environment in which the fuel cell is stopped and the cooling water is expected to freeze;
A cooling water separation mechanism for separating the cooling water mixed by the antifreezing liquid mixing mechanism from the antifreezing liquid under a situation where separation of the cooling water and the antifreezing liquid is required;
It is characterized by providing.
また、第2の発明は、第1の発明において、前記冷却水分離機構は、前記加湿機構が前記反応ガスを加湿する場合に冷却水を不凍液から分離することを特徴とする。 According to a second aspect, in the first aspect, the cooling water separating mechanism separates the cooling water from the antifreeze when the humidifying mechanism humidifies the reaction gas.
また、第3の発明は、第1または第2の発明において、
前記冷却機構は、前記燃料電池を含む冷却水循環経路を含み、
前記不凍液混合機構は、前記冷却水循環経路内の冷却水を回収して、不凍液と混合した状態でその冷却水を貯留する不凍液タンクを含むことを特徴とする。
The third invention is the first or second invention, wherein
The cooling mechanism includes a cooling water circulation path including the fuel cell,
The antifreezing liquid mixing mechanism includes an antifreezing liquid tank that collects cooling water in the cooling water circulation path and stores the cooling water in a state of being mixed with the antifreezing liquid.
第1の発明によれば、燃料電池の作動中は、冷却水として純水を流通させつつ、その純水により反応ガスを加湿することができる。このため、本発明によれば、冷却水の経路と加湿用の純水の経路とを別個独立に準備することなく、燃料電池を安定的かつ効率的に作動させることができる。また、本発明によれば、燃料電池の停止中に、純水の冷却水が凍結すると予想される場合には、その冷却水を不凍液と混合することで冷却水の凍結を防止することができる。そして、その場合は、冷却水分離機構により純水を不凍液から分離することで、加湿用の純水を準備することができる。更に、本発明によれば、純水の冷却水は、その凍結が予想される低温環境下でのみ不凍液と混合されるため、冷却水分離機構が担うべき負担が小さくなり、その劣化を十分に抑制することができる。 According to the first aspect, during operation of the fuel cell, the pure gas can be circulated as the cooling water, and the reaction gas can be humidified by the pure water. Therefore, according to the present invention, the fuel cell can be stably and efficiently operated without separately preparing the cooling water path and the humidifying pure water path. Further, according to the present invention, when the cooling water of pure water is expected to freeze while the fuel cell is stopped, the cooling water can be prevented from freezing by mixing the cooling water with the antifreeze liquid. . In that case, pure water for humidification can be prepared by separating the pure water from the antifreeze by the cooling water separation mechanism. Furthermore, according to the present invention, the cooling water of pure water is mixed with the antifreeze liquid only in a low temperature environment where freezing is expected, so that the burden that the cooling water separation mechanism should bear is reduced, and its deterioration is sufficiently reduced. Can be suppressed.
第2の発明によれば、加湿機構による反応ガスの加湿が要求される場合に、冷却水を不凍液から分離することができるため、必要な純水を、無駄なく確実に準備することができる。 According to the second invention, when the humidification mechanism requires the humidification of the reaction gas, the cooling water can be separated from the antifreeze liquid, so that the necessary pure water can be reliably prepared without waste.
第3の発明によれば、低温環境下では、冷却水循環経路内の冷却水を不凍液タンクに回収し、その内部に不凍液と冷却水の混合液を貯留することができる。このため、本発明によれば、冷温環境下で冷却水循環経路内に冷却水が残存するのを避けることができ、かつ、冷却水循環経路内に不凍液の成分が混入するのを確実に避けることができる。 According to the third invention, under a low temperature environment, the cooling water in the cooling water circulation path can be collected in the antifreeze liquid tank, and the mixed liquid of the antifreeze liquid and the cooling water can be stored therein. For this reason, according to the present invention, it is possible to avoid the cooling water from remaining in the cooling water circulation path in a cold environment, and to reliably prevent the components of the antifreeze liquid from entering the cooling water circulation path. it can.
実施の形態1.
[実施の形態1のシステムのハードウェア構成]
図1は、本発明の実施の形態1の燃料電池システムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、例えば車両などに搭載した状態で用いることができる。このシステムは、燃料電池10を備えている。燃料電池10は、水素ガスH2や空気Airなどを反応ガスとして電力を発生する電解質および電極(何れも図示せず)を内蔵している。
Embodiment 1 FIG.
[Hardware Configuration of System of First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a fuel cell system according to Embodiment 1 of the present invention. The system of this embodiment can be used in a state where it is mounted on a vehicle, for example. This system includes a
電力の生成に伴って燃料電池10の内部で生ずる反応は発熱反応である。このため、燃料電池10の内部には、電極の周辺を冷却するための冷却水通路(図示せず)が設けられている。そして、その冷却水通路には、燃料電池10に外付けされた管路12,14が連通している。管路12,14および上記の冷却水路には、後述の如く、純水の冷却水を流通させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池10の過熱を有効に防ぐことができる。
The reaction that occurs inside the
また、燃料電池10には、その外部または内部に、加湿部16が組み付けられている。加湿部16は、管路14を流れる冷却水を使って、燃料電池10に供給される反応ガスを加湿することができる。燃料電池10は、反応ガスが適度な湿潤状態にあると良好な発電特性を示す。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池10に、効率的に電力を生成させることができる。
In addition, the
管路14は、ポンプ18の吸入口に連通している。ポンプ18は、その駆動源としてモータ20を備えている。ポンプ18の吐出口は、管路22を介して第1切替弁24に連通している。第1切替弁24には、リザーブタンク26に通じる管路28と不凍液タンク30に通じる管路32とが連通している。
The
第1切替弁24は、外部から供給される指令に応じて3つの状態を選択的に実現する電磁弁である。すなわち、第1切替弁24は、具体的には、管路22をリザーブタンク26に連通させる第1状態、管路22を不凍液タンク30に連通させる第2状態、および管路22を何れのタンクからも切り離す遮断状態の何れかを選択的に実現することができる。
The
リザーブタンク26は、管路34を介して第2切替弁36に連通している。一方、不凍液タンク30は、分離膜ユニット38と管路40を介して、同じく第2切替弁36に連通している。第2切替弁36には、更に、上述した管路12に通じる熱交換器42が連通している。
The
第2切替弁36は、第1切替弁24と同様に、外部からの指令に応じて3つの状態の何れかを選択的に実現する電磁弁である。第2切替弁36によれば、具体的には、リザーブタンク26を熱交換器42と導通させる第1状態と、分離膜ユニット38を熱交換器42に導通させる第2状態と、熱交換器42をそれらの双方から切り離す遮断状態の何れかを選択的に実現することができる。
Similar to the
不凍液タンク30の内部には、エチレングリコールやグリセリンなどを含む不凍液が水と混合された状態で貯留されている。分離膜ユニット38は、不凍液と水との混合液から水のみを分離する分離膜、つまり水を含む不凍液から純水を分離することのできる分離膜を内蔵している。このような分離膜は、例えば、特開平8−185877号公報に開示されている限外ろ過膜などにより実現することができる。
An antifreeze liquid containing ethylene glycol, glycerin and the like is stored in the
このため、分離膜ユニット38の下流に位置する管路40には、不凍液を含まない純水の冷却水が流出する。図1に示すシステムにおいて、不凍液タンク30と分離ユニット38を除く他の全ての領域には、管路40の内部と同様に、不凍液を含まない純水の冷却水が流通する。つまり、熱交換器42、燃料電池10内の冷却水通路、更にはポンプ18などには、純水の冷却水が流通する。また、リザーブタンク26にも、不凍液を含まない純水の冷却水が貯留される。
For this reason, the pure water cooling water not containing the antifreeze liquid flows out to the
図1に示すシステムは、CPU50を備えている。CPU50は、本実施形態の燃料電池システムの作動を制御するためのユニットである。CPU50には、2つの温度センサ52,54の出力、内部温度センサ56の出力、更には外気温度センサ58の出力などが供給されている。温度センサ52,54は、それぞれ燃料電池10に流入する冷却水の温度、および燃料電池10から流出してきた冷却水の温度を検出するセンサである。内部温度センサ56は、燃料電池10の内部温度を検出するセンサである。また、外気温度センサ58は、燃料電池10を取り巻く外気の温度を検出するセンサである。
The system shown in FIG. 1 includes a
CPU50には、更に、ポンプの動力源であるモータ20、第1切替弁24、および第2切替弁36などが接続されている。CPU50は、上述した各種センサの出力に基づいて、それらのアクチュエータを適当に駆動することができる。
The
[実施の形態1のシステムの動作]
(通常運転時の動作)
以下、図2乃至図4を参照して、本実施形態のシステムの動作について説明する。図2は、本実施形態のシステムの「通常運転時」の状態を示す。本実施形態のシステムは、燃料電池10の作動が開始された後、燃料電池10の内部温度が適当な温度に達すると、その後通常運転を開始する。
[Operation of System of First Embodiment]
(Operation during normal operation)
Hereinafter, the operation of the system of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 shows a “normal operation” state of the system of the present embodiment. When the internal temperature of the
通常運転時には、第1切替弁24が、ポンプ18をリザーブタンク26に導通させる状態(第1状態)に制御されると共に、第2切替弁36が、リザーブタンク26を熱交換器42に導通させる状態(第1状態)に制御される。その結果、本実施形態のシステムの中には、熱交換器42→燃料電池10→ポンプ18→リザーブタンク→熱交換器42の経路を辿る循環経路が形成される。つまり、不凍液タンク30および分離膜ユニット38を含まない循環経路が形成される。
During normal operation, the
通常制御は、上記の循環経路の中に、純水の冷却水が十分に存在している状況下で開始される。また、通常制御の実行中は、ポンプ18が作動状態とされる。その結果、通常制御によれば、図2に示すように、上記の循環経路の中に、十分な量の純水を循環させることができる。
The normal control is started in a situation where there is sufficient pure water cooling water in the circulation path. Further, the
熱交換器42は、その内部を流通する媒体を冷却することができる。上記の循環経路によれば、熱交換器42によって冷却された後の低温の冷却水(純水)を燃料電池10に流入させることができる。このため、通常制御によれば、燃料電池10を、十分に冷却することができる。
The
また、この際、循環経路の中を流れる媒体が純水であることから、加湿部16は、その純水を用いて反応ガスを適当に加湿することができる。このため、通常制御によれば、燃料電池10を十分かつ適切に冷却しつつ、燃料電池10に、効率的に電力を発生させることができる。
At this time, since the medium flowing in the circulation path is pure water, the
ところで、上述した通常制御の実行中は、分離膜ユニット38に対して、水と不凍液とを分離する作業は何ら要求されていない。つまり、分離膜ユニット38は、循環経路から切り離されているため、通常制御の実行中は、不凍液と水を分離する仕事を実質的に何ら行っていない。このように、本実施形態のシステムは、通常制御の実行中は、分離膜ユニット38に何ら負担をかけることなく燃料電池10を安定的、かつ効率的に作動させ続けることができる。
By the way, during the execution of the normal control described above, the
(温暖停止時、温暖始動時の動作)
本実施形態のシステムは、外気温度が5℃を超えるような温暖環境下では、燃料電池10の作動が停止された場合に、図2に示す循環経路を保ったまま冷却水の循環を停止する(以下、この動作を「温暖停止時の動作」と称す)。そして、そのような温暖環境下で、その後燃料電池10が再始動した場合には、図2に示す循環経路を保ったまま、冷却水の循環を開始する(以下、この動作を「温暖始動時の動作」と称す)。
(Operation at warm stop, warm start)
In a warm environment where the outside air temperature exceeds 5 ° C., the system of the present embodiment stops the circulation of cooling water while maintaining the circulation path shown in FIG. 2 when the operation of the
燃料電池10の停止中は、その内部で発熱反応が生じないことから、冷却水の温度が外気温度同等値に低下する。CPU50は、より具体的には、そのような温度変化に伴って、純水が凍結することがないような環境を温暖環境と判断する。このため、温暖停止時の動作および温暖停止時の動作は、純水の冷却水に凍結が生じない場合にのみ実行される。
While the
純水の冷却水に凍結が生じなければ、その冷却水の不凍液を混合する必要はない。また、冷却水に凍結が生じなければ、その冷却水が循環経路中に存在しても、何ら不都合が生じない。更に、上述した温暖停止時の動作、および温暖始動時の動作によれば、通常運転時に用いる循環経路から冷却水が流出しないことから、その循環経路内に純水の冷却水が十分に存在する状態を維持することができる。そして、この状態が維持できれば、不凍液タンク30や分離膜ユニット38に何ら仕事をさせることなく、通常運転を再開することができる。本実施形態のシステムは、この点においても、分離膜ユニット38の負担を軽減するうえで好ましい特性を有している。
If the cooling water of pure water does not freeze, it is not necessary to mix the antifreeze of the cooling water. If the cooling water does not freeze, even if the cooling water exists in the circulation path, no inconvenience occurs. Further, according to the operation at the time of the warm stop and the operation at the warm start described above, since the cooling water does not flow out from the circulation path used during the normal operation, there is sufficient pure water cooling water in the circulation path. The state can be maintained. If this state can be maintained, normal operation can be resumed without causing the
(低温停止時の動作)
図3(A)は、本実施形態のシステムが「低温停止時の動作」を行っている場合の状態を示す。また、図3(B)は、本実施形態のシステムの「低温停止中」の状態を示す。CPU50は、純水の凍結が予想される環境、具体的には、外気温度が0〜5℃程度に設定した判定温度を下回る環境を「低温環境」と判断する。そして、CPU50は、燃料電池10の停止時、或いは停止中に、その低温環境を検知すると、図3(A)に示す低温停止時動作を行う。
(Operation at low temperature stop)
FIG. 3A shows a state in which the system of the present embodiment is performing “operation at low temperature stop”. FIG. 3B shows a state of “during cold stop” of the system of the present embodiment. The
低温停止時動作では、第1切替弁24が、ポンプ18を不凍液タンク30に導通させる状態(第2状態)に制御され、第2切替弁36が遮断状態に制御され、かつ、ポンプ18が作動状態に制御される。本実施形態のシステムは、このような制御が行われた場合に、第2切替弁36より下流に位置する循環経路内の冷却水(純水)が、ポンプ18によってくみ出され、不凍液タンク30に移送されるように構成されている。このため、低温停止時動作によれば、通常運転時に用いられる循環経路内に存在する純水のほぼ全てを、不凍液タンク30に移し替えることができる。
In the operation at the time of low temperature stop, the
(低温停止中の状態)
不凍液タンク30への冷却水(純水)の移送が終わると、その時点で低温停止時動作が終了される。その結果、図3(B)に示す低温停止中の状態が形成される。ここでは、第1切替弁24および第2切替弁36の双方が遮断状態とされ、かつ、ポンプ18が停止状態とされる。
(State during cold stop)
When the transfer of the cooling water (pure water) to the
低温停止中は、循環経路の内部に冷却水(純水)が殆ど残存していない。このため、燃料電池システムを取り巻く外気の温度が更に低温になっても、循環経路の内部では、冷却水の凍結に起因する不都合が生じない。また、不凍液タンク30の中には、エチレングリコールやグリセリンなどの不凍液成分が予め貯留されているため、そこに移送された純水は、それらの成分と混じり合って、十分に凝固点の低い混合液となる。このため、不凍液タンク30の内部でも冷却水(混合液)の凍結は生じない。このように、本実施形態のシステムによれば、低温停止中における冷却水の凍結を、確実に回避することができる。
During the cold stop, almost no cooling water (pure water) remains in the circulation path. For this reason, even if the temperature of the outside air surrounding the fuel cell system is further lowered, there is no inconvenience due to freezing of the cooling water inside the circulation path. In addition, since antifreeze components such as ethylene glycol and glycerin are stored in advance in the
(低温始動時の動作)
本実施形態のシステムは、低温停止時の動作により冷却水の移送が行われた後に燃料電池10の始動が要求された場合は、先ず、「低温始動時の動作」を実行する。図4(A)は、本実施形態のシステムが「低温始動時の動作」を行っている場合の状態を示す。ここでは、第1切替弁24が、ポンプ18をリザーブタンク26に導通させる状態(第1状態)に制御され、第2切替弁36が、分離膜ユニット38を熱交換器42に導通させる状態(第2状態)に制御される。
(Operation at low temperature start)
When the start of the
上記の制御によれば、ポンプ18から流出する冷却水を、不凍液タンク30ではなくリザーブタンク26に導く状態を作り出すことができる。また、分離膜ユニット38を循環経路(熱交換器42)に導通させることにより、分離膜ユニット38に混合液から水だけを分離させ、その結果生じた純水を循環経路に流入させるための状態を作り出すことができる。但し、低温始動時には、ポンプ18が停止状態とされる。このため、低温始動時のの動作が行われている間は、実質的には燃料電池10の内部に冷却水は流入しない。
According to the above control, it is possible to create a state in which the cooling water flowing out from the
燃料電池10は、その内部温度が適当な活性温度に達することで本来の発電能力を発揮する。このため、低温環境下でその始動が図られた場合には、その内部温度を速やかに上昇させることが望ましい。上述した低温始動時動作の実行中は、燃料電池10の内部に冷却水が流入しないため、そこで生ずる発熱反応による熱量が、冷却水に奪われることがない。このため、低温始動時動作によれば、燃料電池10の内部温度を迅速に高めることができ、燃料電池10の発電効率を、その始動が開始された後、短時間で十分に上昇させることができる。
The
(低温暖機過程の動作)
本実施形態のシステムは、低温環境下で始動されたと、燃料電池10の内部温度が所定の暖機温度に達すると、図4(A)に示す低温始動時の動作を止めて、図4(B)に示す「低温暖機過程の動作」を開始する。ここでは、第1切替弁24および第2切替弁36の状態を、低温始動時の状態に維持したまま、ポンプ18が作動状態とされる。その結果、分離膜ユニット38→熱交換器→燃料電池10→ポンプ18→リザーブタンクの経路を辿って純水の冷却水が流通し始め、燃料電池10の内部が適度に冷却され始める。
(Operation of low-temperature machine process)
When the system of the present embodiment is started in a low temperature environment, when the internal temperature of the
低温暖機過程の動作は、不凍液タンク30から所望量の純水が取り出された時点で、つまり、リザーブタンク26の中に、通常運転動作を行うために必要な純水が蓄えられた時点で終了される。そして、その動作に続いて、上述した通常運転動作(図2参照)が開始される。通常運転動作の開始後は、既述した通り分離膜ユニット38には何らの負担もかからない。つまり、本実施形態のシステムにおいて、分離膜ユニット38に水分離の負担がかかるのは、実質的には、低温暖機過程の動作が行われている期間だけである。このため、本実施形態のシステムによれば、分離膜ユニット38の劣化を十分に抑制しつつ、燃料電池10を安定的、かつ効率的に作動させることができる。
The operation of the low warming process is performed when a desired amount of pure water is taken out from the
[実施の形態1における具体的処理]
図5は、上記の機能を実現するために、CPU50が実行するルーチンのフローチャートである。尚、このルーチンは、燃料電池10の停止後であっても、少なくとも低温停止時の動作が実行されていない間は、所定時間毎に繰り返し実行されるものとする。
[Specific Processing in Embodiment 1]
FIG. 5 is a flowchart of a routine executed by the
図5に示すルーチンでは、先ず、燃料電池10の運転が停止されているか否かが判別される(ステップ100)。CPU50は、例えば、燃料電池10のON・OFFスイッチの状態、或いは燃料電池10が車両に搭載されている場合にはその車両のイグニッションスイッチの状態等に基づいて、上記の判断を下すことができる。
In the routine shown in FIG. 5, it is first determined whether or not the operation of the
その結果、燃料電池10が停止していると判別された場合は、次に、低温環境が形成されているか否かが判別される(ステップ102)。CPU50は、純水の凍結が予測される場合に低温環境の成立を判断する。具体的には、0〜5℃程度に設定された判定温度を下回る外気温度が外気温度センサ58により検出された場合に低温環境の成立を判定する。但し、その判定の手法はこれに限定されるものではなく、例えば、燃料電池10の内部温度や、温度センサ52,54により検出される冷却水温度などを基礎として、その判定を行うこととしてもよい。
As a result, if it is determined that the
上記の処理の結果、低温環境の形成が認められなかった場合は、現在の環境下では、冷却水が純水のままであっても、その凍結は生じないと判断できる。この場合は、第1切替弁24および第2切替弁36の状態が停止前の状態、つまり、通常運転時の状態に維持されたまま、ポンプ18がOFFとされる(ステップ104)。その結果、図2に示すように循環経路が形成されたまま、冷却水の循環が停止される。
If formation of a low temperature environment is not recognized as a result of the above processing, it can be determined that freezing does not occur even if the cooling water remains pure water under the current environment. In this case, the
燃料電池10の停止時或いは停止中に、その周囲において低温環境が形成されると、上記ステップ102において、低温環境の成立が判定される。このような判定がなされると、次に、移送済みフラグがONであるか否かが判別される(ステップ106)。移送済みフラグは、後述するように、低温停止時の動作が実行されることにより、循環経路内の冷却水(純水)が不凍液タンク30に移送されることによりONとされるフラグである。
If a low temperature environment is formed around the
上記ステップ106において、移送フラグがONであると判別された場合は、既に低温停止時の動作が実行済みであると判断できる。この場合は、以後何ら処理が行われることなく速やかに今回のルーチンが終了される。一方、移送済みフラグがONでないと判別された場合は、低温停止時の動作を開始するべく、ポンプ18がONとされ、第1切替弁24が第2状態(ポンプ18と不凍液タンク30と導通させる状態)とされ、かつ、第2切替弁36が遮断状態とされる(ステップ108)。上記の処理が実行されると、図3(A)に示す低温停止時の動作が開始され、循環経路内に存在している冷却水(純水)が、不凍液タンク30に移送され始める。
If it is determined in
その後、移送完了条件(例えば、所定時間の経過等)の成立が認められると(ステップ110)、低温停止時動作を終えるべく、ポンプ18がOFFとされ、かつ、第1切替弁24および第2切替弁36の双方が遮断状態とされる(ステップ112)。上記の処理が実行されると、図3(B)に示す低温停止中の状態、つまり、冷却水の凍結が生じ得ない状態が実現される。以後、移送済みフラグがONとされ(ステップ114)、その後、今回のルーチンが終了される。
Thereafter, when the transfer completion condition (for example, elapse of a predetermined time) is recognized (step 110), the
燃料電池10の運転中は、上記ステップ100において運転停止の判断が否定される。この場合は、次に、始動時フラグがONであるか否かが判別される(ステップ116)。始動時フラグは、後述するように、通常運転時の動作が開始された時点でONとされるフラグである。従って、このフラグがONであると判断された場合は、このルーチンにより実行すべき処理が既に完了していると判断できる。この場合、以後速やかに今回のルーチンが終了される。
During operation of the
一方、上記ステップ116において、始動時フラグがONでないと判断された場合は、次に、移送済みフラグがONであるか否かが判別される(ステップ118)。移送済みフラグは、上記の如く、燃料電池10の停止中に循環経路内の冷却水が不凍液タンク30に移送された場合に限りONとされるフラグである。このため、そのフラグがONでなければ、冷却水は、不凍液タンク30に移送されることなく、循環経路内に残存していると判断できる。また、この場合は、第1切替弁24および第2切替弁36が、通常運転時の状態のまま維持されていると判断できる。
On the other hand, if it is determined in
この場合、温暖始動時の動作(図2参照)を開始するべく、先ず、燃料電池10の内部温度が活性温度まで上昇したかが判別される(ステップ120)。燃料電池10の内部温度が活性温度に達していない場合は、その温度は未だ上昇させるべきであり、燃料電池10の冷却を開始すべきでないと判断できる。このため、活性温度への到達が認められない場合は、ポンプ18をOFF状態としたまま、つまり、冷却水の循環を開始しないまま、その到達が待たれる。
In this case, to start the warm start operation (see FIG. 2), first, it is determined whether the internal temperature of the
そして、燃料電池10の内部温度が活性温度に達したと判断されると、内部温度の過熱を防ぐため、ポンプ18がON状態とされる(ステップ122)。その結果、以後、燃料電池10の内部温度が適当な温度に維持されるように、通常運転時の動作(図2参照)が開始される。以上の処理が終わると、始動時フラグがOFFとされ(ステップ124)、その後今回のルーチンが終了される。
When it is determined that the internal temperature of the
燃料電池10の停止時に、低温停止時動作が行われていた場合は、燃料電池10の再始動後に、ステップ118において、移送済みフラグがONであると判断される(ステップ118)。この場合は、移送済みフラグがOFFとされた後(ステップ126)、図4(A)に示す低温始動時の動作を開始するべく、第1切替弁24が第1状態に、また、第2切替弁36が第2状態に、それぞれ制御される(ステップ128)。その結果、ポンプ18がリザーブタンク26に導通し、かつ、分離膜ユニット38が熱交換器42に導通する状態が形成される。
If the operation at the time of low temperature stop is performed when the
次に、燃料電池10の内部温度が活性温度まで上昇したかが判別される(ステップ130)。燃料電池10の内部温度が活性温度に達していない場合は、その温度は未だ上昇させるべきであり、燃料電池10に冷却水を流入させるべきではないと判断できる。このため、活性温度への到達が認められない場合は、ポンプ18がOFF状態に維持され、その結果、低温始動時の状態(図4(A)に示す状態)が維持される。
Next, it is determined whether the internal temperature of the
燃料電池10の内部温度が活性温度に達したと判断された場合は、内部温度の過熱を防ぐため、ポンプ18がON状態とされる(ステップ132)。その結果、低温始動時の動作に代えて、図4(B)に示す低温暖機過程の動作が開始される。つまり、不凍液タンク30の中から純水を分離抽出して、その純水を、燃料電池10を経由してリザーブタンク26まで流通させる動作が開始される。
If it is determined that the internal temperature of the
次に、水分離の完了条件が成立したか否かが判別される(ステップ134)。水分離の完了条件は、不凍液タンク30の中から十分な量の純水が取り出されたと判断できる時点で、より具体的には、通常運転時の動作を行うに十分な量の純水がリザーブタンク26に蓄えられたと判断できる時点で、その成立が認められる。この条件は、例えば、ポンプ18がONとされた後の経過時間が所定時間に達した時点でその成立が判定される。
Next, it is determined whether or not the water separation completion condition is satisfied (step 134). The condition for completing the water separation is when it can be determined that a sufficient amount of pure water has been taken out of the
水分離の完了条件が成立したと判別されると、低温暖機過程の動作(図4(B)参照)を止めて、通常運転時の動作(図2参照)を開始するべく、第2切替弁36が第2状態から第1状態に切り替えられる(ステップ136)。その結果、通常運転に必要な循環経路、つまり、不凍液タンク30および分離膜ユニット38を含まずに環路を形成する循環経路が形成される。以後、ステップ124において始動時フラグがOFFとされ、その後今回のルーチンが終了される。
When it is determined that the water separation completion condition is satisfied, the second switching is performed to stop the operation of the low warming process (see FIG. 4B) and start the operation in the normal operation (see FIG. 2). The
以上の処理によれば、燃料電池10が低温環境下で停止している場合にのみ、つまり、純水の冷却水が凍結する恐れのある場合にのみ、その冷却水に不凍液を混合し、純水の凍結が予想されない場合には、純水を不凍液と混ぜることなく純水のまま存在させておくことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、分離膜ユニット38の負担を十分に軽減しつつ、燃料電池10に、安定的かつ効率的に、電力を生成させ続けることができる。そして、このシステムによれば、分離膜ユニット38の負担が少ないことから、その経時劣化を十分に抑制することができ、システム自体の耐久性を大きく改善することができる。
According to the above processing, only when the
ところで、上述した実施の形態1においては、燃料電池10が、温暖な環境下で停止した場合は、循環経路の中に純水の冷却水を残存させたままでポンプ18を停止させることとしているが(温暖停止時の動作)、温暖環境下での停止の手法はこれに限定されるものではない。すなわち、温暖環境下での停止時においても、燃料電池10の内部から冷却水を抜き出すべく、循環経路内の冷却水をリザーブタンク26に回収した後にポンプ18を停止させることとしてもよい。このような手法によれば、温暖環境下での始動時にも、低温環境下での始動時の場合と同様に、燃料電池10の周辺における熱容量を小さくしておくことが可能であり、その暖機に要する時間を短縮することが可能である。
By the way, in the first embodiment described above, when the
尚、上述した実施の形態1においては、通常運転時に用いられる循環経路が前記第1の発明における「冷却機構」に、加湿部16が前記第1の発明における「加湿機構」に、不凍液タンク30、第1切替弁24、第2切替弁26およびCPU50が前記第1の発明における「不凍液混合機構」に、分離膜ユニット38が前記第1の発明における「冷却水分離機構」に、それぞれ相当している。
In the first embodiment described above, the circulation path used during normal operation is the “cooling mechanism” in the first invention, the
本発明の変形例
次に、図6を参照して、本発明の変形例について説明する。図6に示す変形例は、(1)不凍液タンク30および分離膜ユニット30、並びにそれらに通じる分岐機構(第1切替弁24、第2切替弁36、および管路32,40)が省かれている点、(2)リザーブタンク26と熱交換器42の間に切替弁60が配置されている点、および(3)加湿部16が除かれている点を除き、実施の形態1のシステムと同様のハードウェア構成を有している。尚、図6に示すシステムにおいては、凍結を避けるべく、不凍液を含む冷却水が用いられるものとする。
Next, a modified example of the present invention will be described with reference to FIG. In the modification shown in FIG. 6, (1) the
図6に示すシステムにおいて、切替弁60は、CPU50からの指令を受けて、開弁状態および閉弁状態の何れかを選択的に実現することができる。図6に示す燃料電池システムは、通常運転時には、切替弁60を開弁状態としてポンプ18を作動させる。この場合、循環経路の中を冷却水が循環するため、燃料電池10の内部を適当に冷却することができる。
In the system shown in FIG. 6, the switching
図6に示すシステムは、燃料電池10が温暖な環境下、具体的には、外気温度が5℃を超えるような環境下で停止した場合は、即座にポンプ18をOFF状態として、冷却水の循環を停止させる。一方、燃料電池10の停止時或いは停止中に、低温環境が検知された場合、具体的には、外気温度が0〜5℃の間に設定した所定の判定値を下回るような環境が検知された場合は、その時点で、燃料電池10の中から冷却水を抜き取るための抜き取り処理を開始する。
In the system shown in FIG. 6, when the
冷却水の抜き取り処理は、具体的には、切替弁60を閉弁状態としてポンプ18をON状態とすることで実行することができる。このような処理によれば、切替弁60の下流に存在する冷却水をリザーブタンク26に回収することができる。冷却水の回収が終了したと判断されると(例えば、所定の実行時間が経過したと判断されると)、その時点で、抜き取り処理を終了すべく、ポンプ18がOFF状態とされる。
Specifically, the cooling water extraction process can be executed by closing the switching
以後、燃料電池10の内部には、切替弁60が開弁されるまで冷却水が流入しない。切替弁60は、燃料電池10が低温環境下で停止した場合は、燃料電池10が再始動され、その後、燃料電池10の内部温度が活性温度に達するまで閉状態に維持される。このような処理によれば、低温環境下での再始動時に、冷却水が存在しない分だけ燃料電池10の熱容量を小さくしておくことができる。このため、図6に示すシステムによれば、低温環境下での始動の後、燃料電池10の暖機を迅速に終了させることができ、燃料電池10が効率的に電力を発生する状況を短時間で作り出すことができる。
Thereafter, the cooling water does not flow into the
10 燃料電池
16 加湿部
18 ポンプ
24 第1切替弁
26 リザーブタンク
30 不凍液タンク
36 第2切替弁
38 分離膜ユニット
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記燃料電池を純水の冷却水で冷却する冷却機構と、
前記燃料電池に供給される反応ガスを前記冷却水により加湿する加湿機構と、
前記燃料電池の運転停止中であり、かつ、前記冷却水の凍結が予想される低温環境下でのみ、前記冷却水を不凍液と混合する不凍液混合機構と、
前記冷却水と前記不凍液との分離が要求される状況下で、前記不凍液混合機構により混合された冷却水を前記不凍液から分離する冷却水分離機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell;
A cooling mechanism for cooling the fuel cell with pure water cooling water;
A humidifying mechanism for humidifying the reaction gas supplied to the fuel cell with the cooling water;
An antifreeze mixing mechanism that mixes the cooling water with the antifreeze only under a low temperature environment in which the fuel cell is stopped and the cooling water is expected to freeze;
A cooling water separation mechanism for separating the cooling water mixed by the antifreezing liquid mixing mechanism from the antifreezing liquid under a situation where separation of the cooling water and the antifreezing liquid is required;
A fuel cell system comprising:
前記不凍液混合機構は、前記冷却水循環経路内の冷却水を回収して、不凍液と混合した状態でその冷却水を貯留する不凍液タンクを含むことを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池システム。 The cooling mechanism includes a cooling water circulation path including the fuel cell,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the antifreeze liquid mixing mechanism includes an antifreeze liquid tank that collects the cooling water in the cooling water circulation path and stores the cooling water in a mixed state with the antifreeze liquid. .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004032779A JP2005228477A (en) | 2004-02-10 | 2004-02-10 | Fuel cell system |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114551936A (en) * | 2022-01-18 | 2022-05-27 | 上海神力科技有限公司 | Anti-freezing solution testing device and method for bipolar plate of fuel cell |
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2004
- 2004-02-10 JP JP2004032779A patent/JP2005228477A/en not_active Withdrawn
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