JP2006164670A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a fuel cell stack.
燃料電池スタックは、複数個の燃料電池セルを積層した積層体を締め付けて構成されている。燃料電池セルは、例えば、触媒反応層を有する一対の電極により高分子電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガスを供給する導電性セパレータを配置し、他方の電極側には酸化剤ガスを供給する導電性セパレータを配置して構成されている。燃料電池スタックは発電の際に発熱することから、一般的に、燃料電池スタックに冷却水を供給し、当該燃料電池スタックを冷却して適正な運転温度に維持している。 The fuel cell stack is configured by fastening a stacked body in which a plurality of fuel cells are stacked. In the fuel cell, for example, a polymer electrolyte membrane is sandwiched between a pair of electrodes having a catalytic reaction layer, a conductive separator that supplies fuel gas is disposed on one electrode side, and an oxidation is disposed on the other electrode side. A conductive separator for supplying the agent gas is arranged. Since the fuel cell stack generates heat during power generation, cooling water is generally supplied to the fuel cell stack, and the fuel cell stack is cooled and maintained at an appropriate operating temperature.
ところで、燃料電池の停止時においては、燃料電池スタック内において冷却水の凍結を防止し、電池としての性能の低下を防止する必要がある。 By the way, when the fuel cell is stopped, it is necessary to prevent freezing of the cooling water in the fuel cell stack and to prevent deterioration of the performance of the cell.
特許文献1には、燃料電池スタックにおける冷却水が流れる流路を、真空ポンプによって減圧して乾燥させる技術が提案されている。
特許文献1に記載された技術にあっては、燃料電池スタックから冷却水を回収する点については何ら考慮されておらず、冷却水に使用される例えば純水を無駄に消費する懸念がある。 In the technique described in Patent Document 1, no consideration is given to the point of recovering the cooling water from the fuel cell stack, and there is a concern that, for example, pure water used for the cooling water is wasted.
本発明の目的は、燃料電池スタック内において冷却水の凍結を防止するにあたり、冷却水を無駄に消費することがない燃料電池システムを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system that does not waste the cooling water in preventing the cooling water from freezing in the fuel cell stack.
上記目的は下記の手段により達成される。 The above object is achieved by the following means.
冷却水によって冷却される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから冷却水を回収する排水処理、および回収した冷却水を前記燃料電池スタックに戻す給水処理を選択的に実施する給排水手段と、
前記給排水手段による前記排水処理または前記給水処理の実施を制御するための制御手段と、を有し、
前記制御手段は、燃料電池の停止時には前記給排水手段に前記排水処理を実施させ、燃料電池の始動時には前記給排水手段に前記給水処理を実施させてなる燃料電池システムである。
A fuel cell stack cooled by cooling water;
Water supply / drainage means for selectively performing drainage processing for recovering cooling water from the fuel cell stack, and water supply processing for returning the recovered cooling water to the fuel cell stack;
Control means for controlling execution of the wastewater treatment or the water supply treatment by the water supply / drainage means,
The control means is a fuel cell system in which the water supply / drainage means performs the wastewater treatment when the fuel cell is stopped, and the water supply / drainage means performs the water supply treatment when the fuel cell is started.
本発明によれば、燃料電池停止時には、燃料電池スタックから冷却水を回収しているため、外気が低温となっても、燃料電池スタック内において冷却水が凍結することを防止することができる。さらに、燃料電池スタック内において冷却水の凍結を防止するにあたり、燃料電池スタックから冷却水を回収する排水処理を行っているため、冷却水を無駄に消費することがない。また、燃料電池始動時には、回収した冷却水を燃料電池スタックに戻す給水処理を行っているため、冷却水を必要部位に迅速に供給し、燃料電池の始動時間を短縮することができる。 According to the present invention, since the cooling water is collected from the fuel cell stack when the fuel cell is stopped, it is possible to prevent the cooling water from freezing in the fuel cell stack even when the outside air is at a low temperature. Furthermore, in order to prevent the cooling water from freezing in the fuel cell stack, the waste water treatment for collecting the cooling water from the fuel cell stack is performed, so that the cooling water is not wasted. In addition, when the fuel cell is started, a water supply process for returning the recovered cooling water to the fuel cell stack is performed, so that the cooling water can be quickly supplied to the necessary part and the start time of the fuel cell can be shortened.
以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム10を示す構成図、図2は、図1に示されるタンク31を示す断面図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a
図1を参照して、燃料電池システム10は、概説すれば、冷却水としての純水によって冷却される燃料電池スタック20と、燃料電池スタック20から冷却水を回収する排水処理および回収した冷却水を燃料電池スタック20に戻す給水処理を選択的に実施する給排水手段30と、給排水手段30による排水処理または給水処理の実施を制御するためのコントローラ50(制御手段に相当する)と、を有している。コントローラ50は、燃料電池の停止時には給排水手段30に排水処理を実施させ、燃料電池の始動時には給排水手段30に給水処理を実施させる。燃料電池システム10は、燃料電池スタック20における冷却水が流れる流路を乾燥させる流路乾燥手段40をさらに有し、コントローラ50は、燃料電池の停止時に給排水手段30に排水処理を実施させた後に、流路乾燥手段40を作動させている。本実施形態の燃料電池システム10はさらに、燃料電池スタック20および流路乾燥手段40に設けた電気ヒータ42の両者に電気的に接続される2次電池51をさらに有し、コントローラ50は、2次電池51の充放電を制御し、燃料電池が稼動しているときに発電量の一部を2次電池51に充電させ、電気ヒータ42を作動させるときに2次電池51から電気ヒータ42に放電させている。以下、詳述する。
Referring to FIG. 1, a
図1を参照して、燃料電池システム10は、例えば電気自動車の動力源となる燃料電池スタック20と、燃料電池スタック20に冷却水を循環させて当該燃料電池スタック20を冷却する冷却水循環系11と、を備える。図示省略するが、燃料電池システム10には、燃料電池スタック20に燃料である水素を供給するための燃料供給系、空気を供給するための空気供給系、燃料電池スタック20の電解質を加湿するための加湿機構などの公知の要素が設けられている。
Referring to FIG. 1, a
燃料電池スタック20は、複数個の燃料電池セルを積層した積層体を締め付けて構成されている。燃料電池セルは、触媒反応層を有する一対の電極により電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガス(水素)を供給する導電性セパレータを配置し、他方の電極側には酸化剤ガス(空気)を供給する導電性セパレータを配置して構成されている。燃料極では、水素が水素イオンと電子に解離する。水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と水素イオンおよび電子が反応して水が生成し、外部に排出される。燃料電池スタック20の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜などイオン(プロトン)伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによってイオン伝導性電解質として機能する。
The
冷却水循環系11は、燃料電池スタック20に冷却水を循環させるための管路を備え、管路の途上には、冷却水を貯水する冷却水タンク12と、冷却水ポンプ13と、熱交換器14とが設けられている。冷却水ポンプ13によって冷却水タンク12内の冷却水を循環させて燃料電池スタック20に供給することにより、燃料電池スタック20を冷却水によって冷却し、当該燃料電池スタック20を最適な温度に維持する。燃料電池スタック20を冷却することにより加熱された冷却水は、熱交換器14において外気と熱交換されて冷却される。図中符号15、16は、燃料電池スタック20における冷却水が流れる流路を仕切るためのバルブを示している。
The cooling water circulation system 11 includes a pipe for circulating the cooling water through the
前記給排水手段30は、冷却水を貯留するタンク31と、冷却水を送液する送液手段32と、を含んでいる。送液手段32は、燃料電池スタック20からタンク31に向かう正方向(図1に実線矢印で示される方向)およびタンク31から燃料電池スタック20に向かう逆方向(図1に破線矢印で示される方向)の両方向に送液自在に構成されている。コントローラ50は、燃料電池の停止時には燃料電池スタック20からタンク31に冷却水を回収するように送液手段32を作動させ、燃料電池の始動時にはタンク31から燃料電池スタック20に冷却水を戻すように送液手段32を作動させる。
The water supply / drainage means 30 includes a
タンク31は、例えばステンレスからなる真空2重槽に形成され、外気に対して断熱されている(図2参照)。タンク31を外気に対して断熱することによって、外気温度に拘わらずタンク31内の冷却水の温度をほぼ一定に保持できる。タンク31内の冷却水が凍結することがなく、燃料電池の再始動時に、回収した冷却水を燃料電池スタック20に戻す給水処理を迅速に行うことができる。
The
さらに、タンク31は、イオン除去フィルタ33を備えている(図2参照)。稼動時に冷却水中に取り込まれる各種のイオンを給排水の際に除去でき、燃料電池の再始動時に清浄な純水を冷却水として燃料電池スタック20に戻すことができる。これにより、固体高分子電解質の劣化を抑制して、燃料電池スタック20の寿命を延ばすことができる。
Furthermore, the
前記流路乾燥手段40は、燃料電池スタック20の流路に空気を供給する空気供給手段41と、供給する空気を加熱する電気ヒータ42と、を含んでいる。コントローラ50は、燃料電池の停止時に給排水手段30に排水処理を実施させた後に、空気供給手段41および電気ヒータ42を作動させる。
The flow path drying means 40 includes an air supply means 41 for supplying air to the flow path of the
図示する実施形態では、送液手段32を液およびガスを送出可能なポンプ34から構成し、当該ポンプ34を空気供給手段41として兼用している。
In the illustrated embodiment, the liquid feeding means 32 is constituted by a
燃料電池スタック20における冷却水が流れる流路に連通する配管60に、モータにより正逆両方向に回転駆動される前記ポンプ34が配置されている。排水処理時における冷却水の流れ方向(図1に実線矢印で示される)を基準にして、ポンプ34の上流側に電気ヒータ42が配置され、ポンプ34の下流側に切り替えバルブ61が配置されている。この切り替えバルブ61は、配管60と給排水手段30のタンク31とを連通する第1位置と、配管60と空気取込口43とを連通する第2位置と、タンク31および空気取込口43のいずれも配管60に連通しない第3位置(待機位置)とに選択的に作動する。切り替えバルブ61の作動もコントローラ50によって制御される。空気取込口43には、燃料電池スタック20内に塵埃が混入することを防止するために、フィルタ44が取り付けられている。
The
前記2次電池51は、充電可能であればその型式は限定されないが、例えば、電気自動車などにおいて使用されているリチウムイオン2次電池を用いることができる。
The type of the
前記コントローラ50は、CPUやメモリを主体に構成され、2次電池51に接続された充放電回路52の作動を制御し、燃料電池が稼動しているときには、発電量の一部を2次電池51に充電させる回路に切り替える。一方、コントローラ50は、電気ヒータ42を作動させるときには、2次電池51から電気ヒータ42に放電させる回路に切り替える。2次電池51から電気ヒータ42への放電は、予め設定された時間行われる。あるいは、燃料電池スタック20や供給する空気の温度を検出するセンサを設け、それらの温度が設定温度に昇温するまで、電気ヒータ42への放電を継続してもよい。
The
上記のように2次電池51を備えることにより、燃料電池システム10とは別系統に設けた電源から電力を供給する必要がなく、燃料電池システム10自体の制御を簡単に行うことができ、燃料電池スタック20の再始動を素早くできるという利点がある。
By providing the
次に、本実施形態の作用を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
燃料電池が稼動しているときには、コントローラ50は、充放電回路52の作動を制御し、発電量の一部を2次電池51に充電させる回路に切り替える。2次電池51の充電が完了すると、コントローラ50は、2次電池51への充電を停止する。燃料電池稼動時には、切り替えバルブ61は、待機位置である第3位置に作動され、タンク31および空気取込口43のいずれも配管60に連通していない。
When the fuel cell is operating, the
燃料電池の停止時には、コントローラ50は、まず、冷却水循環系11による冷却水の循環を停止し、バルブ15、16を閉じ、燃料電池スタック20における冷却水が流れる流路を仕切る。コントローラ50は、切り替えバルブ61の作動を制御し、切り替えバルブ61を、配管60と給排水手段30のタンク31とを連通する第1位置に切り替える。
When the fuel cell is stopped, the
次いで、コントローラ50は、ポンプ34を正回転させ、排水処理すなわち燃料電池スタック20からタンク31に冷却水を回収する(図1実線矢印を参照)。このとき、回収される冷却水がイオン除去フィルタ33を通過することによって、稼動時に冷却水中に取り込まれた各種のイオンが除去され、清浄な純水となってタンク31に貯溜される。
Next, the
コントローラ50は、ポンプ34を所定時間作動させて排水処理が終了すると、ポンプ34を一時停止し、切り替えバルブ61の作動を制御し、切り替えバルブ61を、配管60と空気取込口43とを連通する第2位置に切り替える。コントローラ50はさらに、充放電回路52の作動を制御し、2次電池51から電気ヒータ42に放電させる回路に切り替える。電気ヒータ42は、通電されてジュール熱を生じる。そして、コントローラ50は、ポンプ34を逆回転させ、空気取込口43から空気を取り込みながら、燃料電池スタック20の流路に空気を供給する。このとき、供給される空気は、電気ヒータ42のジュール熱によって加熱される。加熱された空気を供給することによって、排水処理後に燃料電池スタック20の流路に残存する水分が蒸発し、前記流路が乾燥する。
When the drainage treatment is completed by operating the
コントローラ50は、ポンプ34を所定時間作動させて流路の乾燥が終了すると、切り替えバルブ61を第3位置に切り替える。
The
この後、燃料電池を再始動するときには、コントローラ50は、まず、切り替えバルブ61を、配管60と給排水手段30のタンク31とを連通する第1位置に切り替える。次いで、コントローラ50は、ポンプ34を逆回転させ、給水処理すなわちタンク31に回収した冷却水を燃料電池スタック20に戻す(図1破線矢印を参照)。このとき、戻される冷却水がイオン除去フィルタ33を通過することによって、清浄な純水が燃料電池スタック20に戻される。
Thereafter, when restarting the fuel cell, the
コントローラ50は、ポンプ34を所定時間作動させて給水処理が終了すると、ポンプ34を停止し、切り替えバルブ61を第3位置に切り替える。その後、バルブ15、16を開き、冷却水循環系11による冷却水の循環を再開し、通常運転に移行する。
When the water supply process is completed by operating the
本実施形態の燃料電池システム10によれば、燃料電池停止時には、燃料電池スタック20から冷却水を回収し、さらに、燃料電池スタック20の流路を乾燥させているため、外気が低温となっても、燃料電池スタック20内において冷却水が凍結することを確実に防止することができる。さらに、燃料電池スタック20内において冷却水の凍結を防止するにあたり、燃料電池スタック20から冷却水をタンク31に回収する排水処理を行っているため、冷却水を無駄に消費することがない。燃料電池始動時には、回収した冷却水を燃料電池スタック20に戻す給水処理を行っているため、冷却水を必要部位に迅速に供給し、燃料電池の始動時間を短縮することができる。
According to the
(変形例)
ポンプ34が送液手段32および空気供給手段41を兼用する形態を示したが、液用ポンプなどからなる送液手段32と、ガス用ポンプあるいはブロワなどからなる空気供給手段41とを別個独立に設けてもよいことはいうまでもない。
(Modification)
Although the
冷却水循環系11とは別個に給排水手段30を設けた形態を示したが、冷却水循環系11に本発明における給排水手段30を組み込んでもよい。この場合には、冷却水循環系11における冷却水タンク12を、給排水手段30におけるタンク31として機能させることができる。
Although the embodiment in which the water supply / drainage means 30 is provided separately from the cooling water circulation system 11 is shown, the water supply / drainage means 30 in the present invention may be incorporated in the cooling water circulation system 11. In this case, the cooling
タンク31を真空2重槽に形成することによって外気に対して断熱する形態を示したが、タンクを断熱材によって囲繞する形態でもよい。
Although the form which heat-insulates with respect to external air by forming the
10 燃料電池システム、
11 冷却水循環系、
20 燃料電池スタック、
30 給排水手段、
31 タンク、
32 送液手段、
33 イオン除去フィルタ、
34 ポンプ(送液手段、空気供給手段)、
40 流路乾燥手段、
41 空気供給手段、
42 電気ヒータ、
43 空気取込口、
50 コントローラ(制御手段)、
51 2次電池、
60 配管、
61 切り替えバルブ。
10 Fuel cell system,
11 Cooling water circulation system,
20 Fuel cell stack,
30 Water supply / drainage means,
31 tanks,
32 liquid feeding means,
33 ion removal filter,
34 Pump (liquid feeding means, air supply means),
40 Channel drying means,
41 air supply means,
42 electric heaters,
43 Air intake port,
50 controller (control means),
51 secondary battery,
60 piping,
61 Switching valve.
Claims (8)
前記燃料電池スタックから冷却水を回収する排水処理、および回収した冷却水を前記燃料電池スタックに戻す給水処理を選択的に実施する給排水手段と、
前記給排水手段による前記排水処理または前記給水処理の実施を制御するための制御手段と、を有し、
前記制御手段は、燃料電池の停止時には前記給排水手段に前記排水処理を実施させ、燃料電池の始動時には前記給排水手段に前記給水処理を実施させてなる燃料電池システム。 A fuel cell stack cooled by cooling water;
Water supply / drainage means for selectively performing drainage processing for recovering cooling water from the fuel cell stack, and water supply processing for returning the recovered cooling water to the fuel cell stack;
Control means for controlling execution of the wastewater treatment or the water supply treatment by the water supply / drainage means,
The control means causes the water supply / drainage means to perform the wastewater treatment when the fuel cell is stopped, and causes the water supply / drainage means to perform the water supply treatment when the fuel cell is started.
前記制御手段は、燃料電池の停止時に前記給排水手段に前記排水処理を実施させた後に、前記流路乾燥手段を作動させ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。
A flow path drying means for drying the flow path through which the cooling water flows in the fuel cell stack;
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit operates the flow path drying unit after causing the water supply / drainage unit to perform the wastewater treatment when the fuel cell is stopped.
前記制御手段は、燃料電池の停止時には前記燃料電池スタックから前記タンクに冷却水を回収するように前記送液手段を作動させ、燃料電池の始動時には前記タンクから前記燃料電池スタックに冷却水を戻すように前記送液手段を作動させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。 The water supply / drainage means includes a tank for storing cooling water, and a liquid feeding means for feeding cooling water,
The control means operates the liquid feeding means so as to collect cooling water from the fuel cell stack to the tank when the fuel cell is stopped, and returns cooling water from the tank to the fuel cell stack when the fuel cell is started. The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the liquid feeding means is operated as described above.
前記制御手段は、燃料電池の停止時に前記給排水手段に前記排水処理を実施させた後に、前記空気供給手段および前記電気ヒータを作動させ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。 The flow path drying means includes an air supply means for supplying air to the flow path of the fuel cell stack, and an electric heater for heating the supplied air.
3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the control unit operates the air supply unit and the electric heater after causing the water supply / drainage unit to perform the wastewater treatment when the fuel cell is stopped.
前記送液手段を液およびガスを送出可能なポンプから構成し、当該ポンプを前記空気供給手段として兼用していることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 The water supply / drainage means includes liquid supply means for supplying cooling water,
7. The fuel cell system according to claim 6, wherein the liquid feeding means is constituted by a pump capable of sending liquid and gas, and the pump is also used as the air supply means.
前記制御手段は、前記2次電池の充放電を制御し、燃料電池が稼動しているときに発電量の一部を前記2次電池に充電させ、前記電気ヒータを作動させるときに前記2次電池から前記電気ヒータに放電させることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。 A secondary battery electrically connected to both the fuel cell stack and the electric heater;
The control means controls charging / discharging of the secondary battery, charges the secondary battery with a part of the power generation amount when the fuel cell is operating, and operates the electric heater when the electric heater is operated. The fuel cell system according to claim 6, wherein the electric heater is discharged from a battery.
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