JP2007280715A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、燃料電池に供給する燃料ガスを生成するための原燃料であるメタノールを貯留するメタノールタンクと、燃料電池から排出された酸化排ガスが流れる酸化排ガス路と、メタノールタンクと酸化排ガス路とを接続するメタノール添加路とを備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、メタノール添加路を介して酸化排ガス路内にメタノールを供給し、酸化排ガス路内で凝縮する生成水にメタノールを混合させるようにしている。このように生成水にメタノールを混合することによって、生成水の融点を低下させ、燃料電池の運転停止中に外気温度が低下した場合であっても生成水の凍結による酸化排ガス路の凍結を防止する構成となっている(例えば特許文献1参照)。
しかし、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素である必要があり、純水素を燃料ガスとする燃料電池システムではメタノールタンクやメタノール供給装置などを別途搭載する必要がある。また、従来の燃料電池システムでは、複雑なシステム構成となってしまい、この結果、部品点数が多く、コスト高となり、さらにはシステム容積が大きくなってしまう。 However, in the conventional fuel cell system, the fuel gas needs to be a low freezing point alcohol hydrocarbon such as methanol, and in the fuel cell system using pure hydrogen as the fuel gas, a methanol tank, a methanol supply device, etc. are separately mounted. There is a need. In addition, the conventional fuel cell system has a complicated system configuration. As a result, the number of parts is large, the cost is increased, and the system volume is increased.
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、システム構成の多大な複雑化を防止し、使用する燃料ガスが低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、生成水によるシステム凍結を防止することが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve such a conventional problem. The object of the present invention is to prevent the system configuration from being greatly complicated, and the fuel gas used is a low freezing point alcohol hydrocarbon. However, the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing system freezing due to generated water.
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、冷却液流路と、ガス流路と、連結流路と、制御手段とを備えている。燃料電池は供給された供給ガスを反応させて発電するものであり、冷却液流路は不凍液を循環させる流路となるものである。ガス流路は燃料電池に供給する供給ガス及び燃料電池から排出されるガスが流れるものであり、連結流路はガス流路と冷却液流路とを接続するものである。制御手段は連結流路を介して冷却液流路の不凍液をガス流路に流入させるものである。 The fuel cell system of the present invention includes a fuel cell, a coolant flow path, a gas flow path, a connection flow path, and a control means. The fuel cell reacts with the supplied gas to generate electric power, and the coolant flow path becomes a flow path for circulating the antifreeze liquid. The gas channel is a channel through which the supply gas supplied to the fuel cell and the gas discharged from the fuel cell flow, and the connection channel connects the gas channel and the coolant channel. The control means causes the antifreeze liquid in the coolant flow path to flow into the gas flow path via the connection flow path.
本発明によれば、ガス流路と冷却液流路とを接続する連結流路を備え、連結流路を介して冷却液流路の不凍液をガス流路に流入させる。このように、不凍液をガス流路に流入させるため、ガス流路は生成水の凍結によって凍結することがない。特に、不凍液によって凍結を防止するため、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、凍結を防止できることとなる。さらに、凍結防止にあたり、連結流路とその周囲部品とを燃料電池システムに追加するだけでよく、メタノールタンクやメタノール供給装置などを別途追加する必要がない。故に、システム構成の多大な複雑化とはならない。従って、システム構成の多大な複雑化を防止し、使用する燃料ガスが低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、生成水によるシステム凍結を防止することができる。 According to the present invention, the connecting channel that connects the gas channel and the coolant channel is provided, and the antifreeze liquid in the coolant channel is caused to flow into the gas channel via the connecting channel. In this way, since the antifreeze liquid flows into the gas flow path, the gas flow path is not frozen by freezing of the generated water. In particular, since freezing is prevented by the antifreeze liquid, the fuel gas is not limited to low freezing point alcohol hydrocarbons such as methanol, and freezing can be prevented. Furthermore, in order to prevent freezing, it is only necessary to add the connection flow path and its surrounding parts to the fuel cell system, and it is not necessary to add a methanol tank, a methanol supply device, or the like separately. Therefore, the system configuration is not greatly complicated. Therefore, the system configuration can be prevented from becoming very complicated, and the fuel gas to be used is not limited to the low freezing point alcohol hydrocarbons, and the system freezing by the generated water can be prevented.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池10と、冷却液循環系20と、酸化剤ガス供給系30と、不凍液移動系40と、コントローラ(制御手段)50とを備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. As shown in the figure, the
燃料電池10は、燃料ガス(水素ガス)の供給を受ける燃料極と、酸化剤ガス(酸素)の供給を受ける酸化剤極とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとからなる供給ガスを反応させて発電するものである。また、燃料極と酸化剤極とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池10は、これら発電セルが複数層積層されたスタック構造となっている。
The
冷却液循環系20は、燃料電池10の温度が高温となり過ぎないように温度を抑制するためのものである。冷却液循環系20は、冷却液流路21と、ラジエータ22と、リザーバタンク23と、ポンプ(冷却液循環手段)24とからなっている。冷却液流路21は、冷却液循環系20において不凍液(例えばエチレングリコール水溶液や、シリコンオイル等絶縁油など)を循環させる流路となるものであり、不凍液は燃料電池10、ラジエータ22、リザーバタンク23、およびポンプ24の順に通過して再度燃料電池10に流入するようになっている。ラジエータ22は外気との熱交換により不凍液を冷却するためのものである。リザーバタンク23は、不凍液の余剰分を蓄えておくものである。ポンプ24は、冷却液流路21において不凍液を循環させる循環源となるものである。
The
酸化剤ガス供給系30は、酸化剤ガス流路(ガス流路)31と、コンプレッサ(ガス供給手段)32と、切替バルブ33とからなっている。酸化剤ガス流路31は、燃料電池10に供給する供給ガスのうちの酸化剤ガスが流れる流路となるものである。また、酸化剤ガス流路31は、燃料電池10から排出されるカソードオフガスが流れるものである。コンプレッサ32は、酸化剤ガス流路31に設けられ、燃料電池10に供給ガスを供給するものであり、空気を圧縮して燃料電池10の酸化剤極に送り込む構造となっている。切替バルブ33は、コンプレッサ32の上流側の酸化剤ガス流路31に設けられ、開閉動作することにより酸化剤ガス流路31を開放したり、遮断したりするようになっている。
The oxidant
不凍液移動系40は、冷却液循環系20の不凍液を酸化剤ガス供給系30に流入させたり、酸化剤ガス供給系30に流入した不凍液を冷却液循環系20に戻したりするものである。不凍液移動系40は、連結流路41と、第1連結流路バルブ(連結流路バルブ)42と、第2連結流路バルブ(連結流路バルブ)43とからなっている。連結流路41は、冷却液流路21と酸化剤ガス流路31とを接続するものである。この連結流路41は、一端が燃料電池10からラジエータ22に至るまでの区間の冷却液流路21に接続され、他端が燃料電池10の下流側の酸化剤ガス流路31に接続されている。第1連結流路バルブ42は、連結流路41の一端側、すなわち冷却液流路21と連結流路41との接続部に設けられている。この第1連結流路バルブ42は、三方弁によって構成され、冷却液流路21と連結流路41とを連通させたり遮断したりする構成となっている。第2連結流路バルブ43は、連結流路41の他端側、すなわち酸化剤ガス流路31と連結流路41との接続部に設けられている。この第2連結流路バルブ43は、三方弁によって構成され、酸化剤ガス流路31と連結流路41とを連通させたり遮断したりする構成となっている。また、これら連結経路バルブ42,43は、開度を調節することにより連結流路41に流れる不凍液の流量を調整可能となっている。
The antifreeze
コントローラ50は、燃料電池システム1の全体を制御するものであり、本実施形態では特にポンプ24およびコンプレッサ32の回転数、切替バルブ33の開閉、及び連結経路バルブ42,43の開度を制御する構成となっている。このコントローラ50は、連結経路バルブ42,43の開度を制御することで、連結流路41を介して冷却液流路21の不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させるようになっている。
The
ここで、燃料電池10は発電により水を生成するようになっている。この生成水は酸化剤ガス流路31に溜まることがあり、低温環境下において燃料電池システム1を停止した場合、生成水が凍結して酸化剤ガス流路31を凍結させることがある。
Here, the
ところが、本実施形態では、コントローラ50が不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させる。これにより、酸化剤ガス流路31は生成水が存在しても不凍液によって凍結しないこととなる。特に、不凍液によって凍結を防止するため、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、凍結を防止できることとなる。さらに、凍結防止にあたり、連結流路とその周囲部品とを燃料電池システムに追加するだけでよく、メタノールタンクやメタノール供給装置などを別途追加する必要がない。故に、システム構成の多大な複雑化とはならない。
However, in the present embodiment, the
なお、上記燃料電池システム1において、冷却液流路21とリザーバタンク23との容積の合計は、酸化剤ガス流路31の容積よりも大きいことが望ましい。これにより、酸化剤ガス流路31を不凍液で満たすことができ、一層凍結を防止することができるからである。
In the
次に、本実施形態に係る燃料電池システム1の動作の概略を説明する。図2は、第1実施形態に係る燃料電池システム1の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム1の停止時における動作を示している。
Next, an outline of the operation of the
まず、燃料電池システム1のポンプ24およびコンプレッサ32は作動状態にあるものとする。図2に示すようにシステム停止信号が入力されると(ST1)、コントローラ50はコンプレッサ32を停止させる(ST2)。次いで、コントローラ50は切替バルブ33を閉じる(ST3)。
First, it is assumed that the
そして、コントローラ50は、第1連結流路バルブ42を制御して冷却液流路21と連結流路41とを連通させる(ST4)。さらに、コントローラ50は、第2連結流路バルブ43を制御して酸化剤ガス流路31と連結流路41とを連通させる(ST4)。このように、コントローラ50は、システム停止時に第1および第2連結流路バルブ42,43を制御して連結流路41に不凍液が流れる状態にし、且つポンプ24を駆動させることにより連結流路41を介して冷却液流路21の不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させることとしている。その後、コントローラ50はポンプ24を停止させる(ST5)。そして、図2に示す処理は終了することとなる。
And the
なお、ステップST5におけるポンプ24の停止判断は以下のようにして行われる。すなわち、コントローラ50は、例えば酸化剤ガス流路31に設置された圧力センサの検出値に基づいて、圧力低下がなくなったことを検出したときにポンプ24を停止させる。また、コントローラ50は、リザーバタンク23に設置された水位センサの検出値に基づいて、水位が減少しなくなったことを検出したときにポンプ24を停止させるようにしてもよい。
In addition, the stop determination of the
図3は、第1実施形態に係る燃料電池システム1の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム1の起動時における動作を示している。まず、燃料電池システム1のポンプ24およびコンプレッサ32は停止状態にあるものとする。図3に示すようにシステム起動信号が入力されると(ST11)、コントローラ50は切替バルブ33を開ける(ST12)。その後、コントローラ50はコンプレッサ32を作動させる(ST3)。このように、コントローラ50は、第1および第2連結流路バルブ42,43について連結流路41に不凍液が流れる状態であるときに、コンプレッサ32に供給ガスである空気を供給させることで、酸化剤ガス流路31に封入されていた不凍液を冷却液流路21に戻すこととしている。
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the
そして、コントローラ50は、第1連結流路バルブ42を制御して冷却液流路21と連結流路41との連通を遮断する(ST14)。さらに、コントローラ50は、第2連結流路バルブ43を制御して酸化剤ガス流路31と連結流路41との連通を遮断とする(ST14)。その後、コントローラ50はポンプ24を作動させる(ST15)。そして、図3に示す処理は終了することとなる。
Then, the
なお、ステップST14における第1及び第2連結流路バルブ42,43の流路遮断判断は以下のようにして行われる。すなわち、コントローラ50は、例えば冷却液流路21に設置された圧力センサの検出値に基づいて、圧力低下がなくなったことを検出したときに流路を遮断する。また、コントローラ50は、リザーバタンク23に設置された水位センサの検出値に基づいて、水位が上昇しなくなったことを検出したときに流路を遮断するようにしてもよい。
It should be noted that the flow passage judgment of the first and second connection
また、ステップST12において切替バルブ33を開けたときに不凍液が外部に漏れ出さないようにするために、酸化剤ガス流路31は入口Aに向かって上りになったレイアウトとすることが望ましい。また、ステップST12とステップST13との処理をほぼ同時に行うことで、不凍液が外部に漏れ出すことを防止するようにしてもよい。
Further, it is desirable that the oxidant
さらに、上記実施形態のように、不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させた場合、冷却液流路21の不凍液が少なくなり又は冷却液流路21の不凍液が無くなることとなるが、冷却液流路21には発電によって生じる生成水が存在せず、たとえ冷却液流路21の不凍液が少なくなったり無くなったりしても冷却液流路21は凍結しないと言える。
Further, when the antifreeze liquid is caused to flow into the oxidant
次に、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム1の第1変形例を説明する。図4は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム1の第1変形例の構成図である。同図に示すように、第1変形例に係る燃料電池システム1は、燃料ガス供給系60を備え、連結流路41が冷却液流路21と燃料ガス供給系60の燃料ガス流路61とを接続するように構成されている。
Next, a first modification of the
具体的に燃料ガス供給系60は、燃料ガス流路(ガス流路)61と、水素ポンプ(ガス供給手段)62と、切替バルブ63とを有している。燃料ガス流路61は、燃料電池10に供給する供給ガスのうちの燃料ガスが流れる流路となるものである。また、燃料ガス流路61は、燃料電池10から排出されるアノードオフガスが流れるものである。水素ポンプ62は、燃料ガス流路61に設けられ、燃料電池10に燃料ガスを送り込むものである。切替バルブ63は、水素ポンプ62の上流側の燃料ガス流路61に設けられ、開閉動作することにより燃料ガス流路61を開放したり、遮断したりするようになっている。また、第1変形例において第2連結流路バルブ43は、燃料ガス流路61と連結流路41との接続部に設けられている。
Specifically, the fuel
次に、第1変形例に係る燃料電池システム1の動作を説明する。図5は、第1実施形態の第1変形例に係る燃料電池システム1の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム1の停止時における動作を示している。
Next, the operation of the
まず、燃料電池システム1のポンプ24および水素ポンプ62は作動状態にあるものとする。図5に示すようにシステム停止信号が入力されると(ST21)、コントローラ50は水素ポンプ62を停止させる(ST22)。次いで、コントローラ50は切替バルブ63を閉じる(ST23)。
First, it is assumed that the
そして、コントローラ50は、第1連結流路バルブ42を制御して冷却液流路21と連結流路41とを連通させる(ST24)。さらに、コントローラ50は、第2連結流路バルブ43を制御して燃料ガス流路61と連結流路41とを連通させる(ST24)。その後、コントローラ50はポンプ24を停止させる(ST25)。そして、図5に示す処理は終了することとなる。
Then, the
図6は、第1実施形態の第1変形例に係る燃料電池システム1の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム1の起動時における動作を示している。まず、燃料電池システム1のポンプ24および水素ポンプ62は停止状態にあるものとする。図6に示すようにシステム起動信号が入力されると(ST31)、コントローラ50は切替バルブ63を開ける(ST32)。その後、コントローラ50は水素ポンプ62を作動させる(ST33)。
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the
そして、コントローラ50は、第1連結流路バルブ42を制御して冷却液流路21と連結流路41との連通を遮断する(ST34)。さらに、コントローラ50は、第2連結流路バルブ43を制御して燃料ガス流路61と連結流路41との連通を遮断とする(ST34)。その後、コントローラ50はポンプ24を作動させる(ST35)。そして、図6に示す処理は終了することとなる。
Then, the
以上、第1変形例のように燃料ガス流路61に不凍液を流入させて燃料ガス流路61の凍結を防止するようにしてもよい。さらに、燃料ガス流路61と酸化剤ガス流路31との双方に不凍液を流入させるようにしてもよい。また、双方に不凍液を流入させる場合、システム停止時の処理およびシステム起動時の処理は、酸化剤ガス流路31に関して先に行ってもよいし、燃料ガス流路61に関して先に行ってもよい。また、双方を同時に行うようにしてもよい。
As described above, the antifreeze liquid may be caused to flow into the
次に、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム1の第2変形例を説明する。第2変形例に係る燃料電池システム1において、冷却液流路21は酸化剤ガス流路31よりも高い位置に設けられている。このため、不凍液は連結流路41を通じて自重により冷却液流路21から酸化剤ガス流路31に流れることとなる。これにより、ポンプ24により不凍液を圧送することなく、不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させることができる。
Next, a second modification of the
また、第2変形例に係る燃料電池システム1において、酸化剤ガス流路31は冷却液流路21よりも高い位置に設けられている構成であってよい。これにより、不凍液は連結流路41を通じて自重により酸化剤ガス流路31から冷却液流路21に流れることとなり、コンプレッサ32によって不凍液を圧送することなく、不凍液を冷却液流路21に戻すことができる。
Further, in the
ここで、上記第1実施形態、第1変形例および第2変形例においてコントローラ50は、冷却液流路21の不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させた後に、第1および第2連結流路バルブ42,43の少なくとも一方を制御して、連結流路41と連通を遮断し、不凍液を酸化剤ガス流路31に封入することが望ましい。これにより、不凍液が冷却液流路21に戻ることなく、確実に凍結を防止することができる。なお、冷却液流路21が酸化剤ガス流路31よりも高い場合には、この構成により不凍液を酸化剤ガス流路31に封入することとなる。すなわち、不凍液が冷却液流路21に戻ってしまわない構成であることが望ましい。
Here, in the first embodiment, the first modified example, and the second modified example, the
次に、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システム1の第3変形例を説明する。図7は、第1実施形態の第3変形例に係る燃料電池システム1の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム1の停止時における動作を示している。なお、図7に示すステップST41〜ST45の処理は、図2に示したステップST1〜ST5の処理と同様であるため、説明を省略する。
Next, a third modification of the
ステップST45においてポンプ24を停止させた後、コントローラ50は切替バルブ33を開ける(ST46)。その後、コントローラ50はコンプレッサ32を作動させる(ST47)。そして、コントローラ50は、第1連結流路バルブ42を制御して冷却液流路21と連結流路41との連通を遮断する(ST48)。さらに、コントローラ50は、第2連結流路バルブ43を制御して酸化剤ガス流路31と連結流路41との連通を遮断とする(ST48)。その後、コントローラ50はコンプレッサ32を停止させる(ST49)。そして、図7に示す処理は終了することとなる。
After stopping the
以上、第3変形例のようにシステム停止時において、酸化剤ガス流路31に不凍液を流入させ、その後酸化剤ガス流路31の不凍液を冷却液流路21に戻すようにしてもよい。これにより、酸化剤ガス流路31の生成水を一旦不凍液によって洗い流すこととなり、燃料電池システム1が低温環境下にさらされても凍結の可能性を低減することができる。また、システム起動時に起動フロー(例えば図3のような処理)を行う必要がなくなり、起動時間を短縮することができる。
As described above, as in the third modification, when the system is stopped, the antifreeze liquid may be caused to flow into the oxidant
このようにして、第1実施形態に係る燃料電池システム1およびその変形例によれば、ガス流路31,61と冷却液流路21とを接続する連結流路41を備え、連結流路41を介して冷却液流路21の不凍液をガス流路31,61に流入させる。このように、不凍液をガス流路31,61に流入させるため、ガス流路は生成水の凍結によって凍結することがない。特に、不凍液によって凍結を防止するため、燃料ガスがメタノール等の低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、凍結を防止できることとなる。さらに、凍結防止にあたり、連結流路41とその周囲部品42,43とを燃料電池システム1に追加するだけでよく、メタノールタンクやメタノール供給装置などを別途追加する必要がない。故に、システム構成の多大な複雑化とはならない。従って、システム構成の多大な複雑化を防止し、使用する燃料ガスが低凍結点アルコール系炭化水素に限られることなく、生成水によるシステム凍結を防止することができる。
Thus, according to the
また、システム停止時に第1および第2連結流路バルブ42,43を制御して連結流路41に不凍液が流れる状態にし、且つポンプ24を駆動させることにより連結流路41を介して冷却液流路21の不凍液をガス流路31,61に流入させることとしている。このように、第1および第2連結流路バルブ42,43の制御とポンプ24の駆動とを行うだけで、システム停止時に不凍液をガス流路31,61に流入させることができる。
Further, when the system is stopped, the first and second connection
また、ガス流路31,61に不凍液を流入させた後、不凍液をガス流路31,61内に封入するため、不凍液が冷却液流路21に戻ることなく、確実に凍結を防止することができる。
In addition, since the antifreeze liquid is sealed in the
また、第1および第2連結流路バルブ42,43について連結流路41に不凍液が流れる状態であるときに、コンプレッサ32や水素ポンプ62によって供給ガスを供給させることで、ガス流路31,61に封入されていた不凍液をガス流路31,61に戻すこととしている。このため、ガス流路31,61に流入させた不凍液を冷却液流路21に戻して再度燃料電池10の冷却用として用いることができる。
Further, when the antifreeze liquid flows through the
また、冷却液流路21はガス流路31,61よりも高い位置に設けられている。このため、不凍液は連結流路41を通じて自重により冷却液流路21からガス流路31,61に流れることとなり、ポンプ24などにより不凍液を圧送することなく、不凍液をガス流路31,61に流入させることができる。
The
また、ガス流路31,61は冷却液流路21よりも高い位置に設けられている。このため、不凍液は連結流路41を通じて自重によりガス流路31から冷却液流路21に流れることとなり、コンプレッサ32などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を冷却液流路21に戻すことができる。
Further, the
また、システム停止時に第1および第2連結流路バルブ42,43を制御して連結流路41に不凍液が流れる状態にし、且つポンプ24を駆動させることにより連結流路41を介して冷却液流路21の不凍液をガス流路31,61に流入させ、その後、コンプレッサ32や水素ポンプ62によって供給ガスを供給させることで、ガス流路31,61の不凍液を冷却液流路21に戻す。これにより、ガス流路31,61の生成水を一旦不凍液によって洗い流すこととなり、燃料電池システム1が低温環境下にさらされても凍結の可能性を低減することができる。また、システム起動時に起動フローを行う必要がなくなり、起動時間を短縮することができる。
Further, when the system is stopped, the first and second connection
また、ガス流路31,61に不凍液を流入させるにあたりポンプ24を用い、冷却液流路21に不凍液を戻すときにコンプレッサ32や水素ポンプ62を用いることで、素早い冷却液の流入および戻しを行うことができる。
In addition, the
次に、本発明の第2実施形態を説明する。第2実施形態に係る燃料電池システムは、第1実施形態のものと同様であるが、構成および処理内容が異なっている。以下、第1実施形態との相違点を説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system according to the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration and processing contents are different. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
図8は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第2実施形態に係る燃料電池システム2は、新たに温度センサ71と、タイマー72と、判定部73とを備えている。
FIG. 8 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, the fuel cell system 2 according to the second embodiment newly includes a temperature sensor 71, a
温度センサ71は燃料電池システム1の周辺の外気温度を検出するものである。タイマー72は、計時機能を有するものであり、燃料電池システム1の停止継続時間を計時するようになっている。判定部73は、不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させるか否かを判断し、不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させると判断したときのみに、第1および第2連結流路バルブ42,43などを制御して不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させるものである。
The temperature sensor 71 detects an outside air temperature around the
図9は、第2実施形態に係る燃料電池システム2の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム2の停止時における動作を示している。まず、燃料電池システム2のポンプ24およびコンプレッサ32は作動状態にあるものとする。
FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system 2 according to the second embodiment, and shows the operation when the fuel cell system 2 is stopped. First, it is assumed that the
図9に示すようにシステム停止信号が入力されると(ST51)、コントローラ50はコンプレッサ32を停止させる(ST52)。次いで、判定部73は温度センサ71に検出された外気温度の情報を読み込む(ST53)。その後、判定部73は、外気温度が0℃以下であるか否かを判断する(ST54)。
When a system stop signal is input as shown in FIG. 9 (ST51), the
ここで、外気温度が0℃以下であると判断した場合(ST54:YES)、処理はステップST58に移行し、不凍液が酸化剤ガス流路31に流入させられることとなる。一方、外気温度が0℃以下でないと判断した場合(ST54:NO)、判定部73は、外気温度プロファイルを読み込む(ST55)。次に、判定部73は、外気温度プロファイルに基づいて、外気温度が0℃以下となる可能性があるか否かを判断する(ST56)。
Here, when it is determined that the outside air temperature is 0 ° C. or lower (ST54: YES), the process proceeds to step ST58, and the antifreeze liquid is caused to flow into the oxidant
図10は、外気温度プロファイルを示す図である。なお、図10において縦軸は外気温度(℃)を示し、横軸は停止予定時間(hr)を示している。外気温度プロファイルとは、図10に示すように、各地域および季節に応じた外気温度と停止予定時間との相関を示すものである。判定部73は、燃料電池システム2が停止するごとに、タイマー72によってシステム停止の継続時間を測定する。そして、判定部73は、システム停止継続時間の情報を蓄えていく。判定部73は、システム停止信号が入力されると、過去のシステム停止継続時間の情報に基づいて、燃料電池システム2の停止予測時間を求める。そして、判定部73は、各地域および季節に応じた外気温度に基づいて、停止予定時間内に外気温度が0℃以下となるか否かを判断する。
FIG. 10 is a diagram showing an outside air temperature profile. In FIG. 10, the vertical axis represents the outside air temperature (° C.), and the horizontal axis represents the scheduled stop time (hr). As shown in FIG. 10, the outside air temperature profile indicates the correlation between the outside air temperature and the scheduled stop time according to each region and season. The
具体的に、コントローラ50は、図10のラインL1に示すように外気温度が0℃以下となる場合、ステップST56において「YES」と判断し、図10のラインL2に示すように外気温度が0℃以下とならない場合、ステップST56において「NO」と判断する。また、コントローラ50は、図10のラインL3に示すように一時的に外気温度が0℃以下となる場合にも、凍結の可能性があるため、ステップST56において「YES」と判断する。
Specifically, when the outside air temperature is 0 ° C. or lower as shown by the line L1 in FIG. 10, the
外気温度が0℃以下となる可能性がないと判断した場合(ST56:NO)、コントローラ50はポンプ24を停止させる(ST57)。そして、図9に示す処理は終了することとなる。このように、外気温度が0℃以下でなく且つ0℃以下となる可能性がないと判断できる場合には凍結の心配がないことから、コントローラ50は不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させることなく、処理を終了させる。
When it is determined that there is no possibility that the outside air temperature becomes 0 ° C. or lower (ST56: NO), the
一方、外気温度が0℃以下となる可能性があると判断した場合(ST56:YES)、処理はステップST58に移行し、不凍液が酸化剤ガス流路31に流入させられることとなる。すなわち、コントローラ50は切替バルブ33を閉じ(ST58)、第1連結流路バルブ42を制御して冷却液流路21と連結流路41とを連通させる(ST59)。さらに、コントローラ50は、第2連結流路バルブ43を制御して酸化剤ガス流路31と連結流路41とを連通させる(ST59)。これにより連結流路41を介して冷却液流路21の不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させる。その後、コントローラ50はポンプ24を停止させ(ST57)、図9に示す処理は終了することとなる。
On the other hand, if it is determined that the outside air temperature may be 0 ° C. or less (ST56: YES), the process proceeds to step ST58, and the antifreeze liquid is caused to flow into the oxidant
なお、第2実施形態では酸化剤ガス流路31に不凍液を流入させる例を説明したが、これに限らず、不凍液を燃料ガス流路61に流入させる場合についても適用可能である。
In the second embodiment, the example in which the antifreeze liquid is allowed to flow into the oxidant
このようにして、第2実施形態に係る燃料電池システム2によれば、第1実施形態と同様に、生成水によるシステム凍結を防止することができる。また、システム停止時に不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させることができ、確実に凍結を防止することができる。また、酸化剤ガス流路31に流入させた不凍液を冷却液流路21に戻して再度燃料電池10の冷却用として用いることができる。また、ポンプ24などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させることができ、コンプレッサ32などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を冷却液流路21に戻すことができる。
Thus, according to the fuel cell system 2 according to the second embodiment, the system freezing due to the generated water can be prevented as in the first embodiment. Further, when the system is stopped, the antifreeze liquid can be caused to flow into the oxidant
さらに、第2実施形態によれば、連結流路41を介して冷却液流路21の不凍液をガス流路31,61に流入させるか否かを、システムの停止継続時間とシステムの周囲の外気温度とに基づいて判断することとしている。ここで、システムの停止継続時間が短いと例えば燃料電池システム2が低温環境下にあっても、凍結の可能性は少ない。また、システムの周囲の外気温度が高ければ、そもそも凍結の可能性がない場合もあり得る。従って、システムの停止継続時間とシステムの周囲の外気温度とに基づいて不凍液をガス流路31,61へ流入させるか否かを判断することで、必要時に不凍液をガス流路31,61に流入させることができる。
Further, according to the second embodiment, whether or not the antifreeze liquid in the
次に、本発明の第3実施形態を説明する。第3実施形態に係る燃料電池システムは、第1実施形態のものと同様であるが、構成および処理内容が異なっている。以下、第1実施形態との相違点を説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described. The fuel cell system according to the third embodiment is the same as that of the first embodiment, but the configuration and processing contents are different. Hereinafter, differences from the first embodiment will be described.
図11は、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第3実施形態に係る燃料電池システム3は、不凍液移動系40が新たに第2連結流路(連結流路)44と、水分離装置45と、第3連結流路バルブ(連結流路バルブ)46と、第4連結流路バルブ(連結流路バルブ)47とを備えている。
FIG. 11 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, in the fuel cell system 3 according to the third embodiment, the antifreeze
第2連結流路44は、連結流路41と同様に、冷却液流路21と酸化剤ガス流路31とを接続するものである。水分離装置45は、第2連結流路44を流れる不凍液から水を分離するものであり、水分離膜を有している。この水分離膜は、燃料電池10での発電によって生成される水を含んだことにより濃度低下した不凍液から、水を分離して不凍液を所定濃度とするものである。この水分離膜は、例えばペーバーパレーション法(PV法)を利用したものである。PV法とは、孔のない均質膜を介して供給液を蒸発させ、透過蒸気として濃縮液を得る方法である。また、水分離装置45は、分離した水を外部へ排出する機構を有している。なお、不凍液は水分離膜によって所定濃度にされ余剰分の水分が分離されることとなる。ここで、初期の不凍液は所定濃度であることから、分離される水は発電により生じた生成水分であることとなる。故に、分離される水を外部へ排出したとしても、不凍液の絶対量が変わるわけではなく、不凍液の減少による問題は生じない。
Similarly to the
第3連結流路バルブ46は、第1連結流路バルブ42と同様に、第2連結流路44の一端側、すなわち冷却液流路21と第2連結流路44との接続部に設けられている。この第3連結流路バルブ46は、三方弁によって構成され、冷却液流路21と第2連結流路44とを連通させたり遮断したりする構成となっている。第4連結流路バルブ47は、第2連結流路44の他端側、すなわち酸化剤ガス流路31と第2連結流路44との接続部に設けられている。この第4連結流路バルブ47は、三方弁によって構成され、酸化剤ガス流路31と第2連結流路44とを連通させたり遮断したりする構成となっている。また、これら連結経路バルブ46,47は、開度を調節することにより第2連結流路44に流れる不凍液の流量を調整可能となっている。
Similarly to the first connection
図12は、第3実施形態に係る燃料電池システム3の動作を示すフローチャートであり、燃料電池システム3の起動時における動作を示している。まず、燃料電池システム3のポンプ24およびコンプレッサ32は停止状態にあるものとする。
FIG. 12 is a flowchart showing the operation of the fuel cell system 3 according to the third embodiment, and shows the operation when the fuel cell system 3 is activated. First, it is assumed that the
図12に示すようにシステム起動信号が入力されると(ST61)、コントローラ50は切替バルブ33を開ける(ST62)。コントローラ50は、第1連結流路バルブ42を制御して冷却液流路21と連結流路41との連通を遮断する(ST63)。さらに、コントローラ50は、第2連結流路バルブ43を制御して酸化剤ガス流路31と連結流路41との連通を遮断とする(ST63)。
When a system activation signal is input as shown in FIG. 12 (ST61), the
次に、コントローラ50は、第3連結流路バルブ46を制御して冷却液流路21と第2連結流路44とを連通させる(ST64)。さらに、コントローラ50は、第4連結流路バルブ47を制御して酸化剤ガス流路31と第2連結流路44とを連通させる(ST64)。その後、コントローラ50はコンプレッサ32を作動させる(ST65)。これにより、不凍液は第2連結流路44を通じて冷却液流路21に戻されることとなる。また、第2連結流路44には水分離装置45が設けられていることから、不凍液は水分離装置45によって濃度調整されたうえで冷却液流路21に戻されることとなる。
Next, the
次に、コントローラ50は、第3連結流路バルブ46を制御して冷却液流路21と第2連結流路44との連通を遮断する(ST66)。さらに、コントローラ50は、第4連結流路バルブ47を制御して酸化剤ガス流路31と第2連結流路44との連通を遮断とする(ST66)。その後、コントローラ50はポンプ24を作動させ(ST67)、図12に示す処理は終了することとなる。
Next, the
このようにして、第3実施形態に係る燃料電池システム3によれば、第1実施形態と同様に、生成水によるシステム凍結を防止することができる。また、システム停止時に不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させることができ、確実に凍結を防止することができる。また、酸化剤ガス流路31に流入させた不凍液を冷却液流路21に戻して再度燃料電池10の冷却用として用いることができる。また、ポンプ24などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を酸化剤ガス流路31に流入させることができ、コンプレッサ32などにより不凍液を圧送することなく、不凍液を冷却液流路21に戻すことができる。
Thus, according to the fuel cell system 3 according to the third embodiment, the system freezing due to the generated water can be prevented as in the first embodiment. Further, when the system is stopped, the antifreeze liquid can be caused to flow into the oxidant
また、第3実施形態によれば、燃料電池10での発電によって生成される水を含んだことにより濃度低下した不凍液から、水を分離して不凍液を所定濃度とする水分離膜を備える。このため、不凍液と生成水が混合して不凍液の濃度が低下してしまうような場合であっても、水分離膜によって水を分離して不凍液の濃度を所定濃度に戻すことが可能となる。従って、所定濃度での不凍結性能を維持することができる。
In addition, according to the third embodiment, the water separation membrane is provided that separates water from the antifreeze liquid whose concentration has been reduced by including water generated by the power generation in the
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態および変形例を組み合わせるようにしてもよい。 The present invention has been described above based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention. May be combined.
例えば、上記実施形態においては、水素ポンプ62を備える構成を説明したが、水素ポンプ62を備えず、高圧水素タンクと制御弁を備え、制御弁の開度を調整することにより、水素ガスを燃料電池10に供給する構成であってもよい。
For example, in the above-described embodiment, the configuration including the
1〜3…燃料電池システム
10…燃料電池
20…冷却液循環系
21…冷却液流路
22…ラジエータ
23…リザーバタンク
24…ポンプ(冷却液循環手段)
30…酸化剤ガス供給系
31…酸化剤ガス流路(ガス流路)
32…コンプレッサ(ガス供給手段)
33…切替バルブ
40…不凍液移動系
41…連結流路(連結流路)
42…第1連結流路バルブ(連結流路バルブ)
43…第2連結流路バルブ(連結流路バルブ)
44…第2連結流路(連結流路)
45…水分離装置
46…第3連結流路バルブ(連結流路バルブ)
47…第4連結流路バルブ(連結流路バルブ)
50…コントローラ(制御手段)
60…燃料ガス供給系
61…燃料ガス流路(ガス流路)
62…水素ポンプ(ガス供給手段)
63…切替バルブ
71…温度センサ
72…タイマー
73…判定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-3 ...
30 ... Oxidant
32. Compressor (gas supply means)
33 ... Switching
42 ... 1st connection flow path valve (connection flow path valve)
43. Second connection flow path valve (connection flow path valve)
44 ... 2nd connection channel (connection channel)
45 ... Water separation device 46 ... Third connection flow path valve (connection flow path valve)
47. Fourth connection flow path valve (connection flow path valve)
50. Controller (control means)
60 ... Fuel
62 ... Hydrogen pump (gas supply means)
63 ... Switching valve 71 ...
Claims (8)
不凍液を循環させる流路となる冷却液流路と、
前記燃料電池に供給する供給ガス及び前記燃料電池から排出されるガスが流れるガス流路と、
前記ガス流路と前記冷却液流路とを接続する連結流路と、
前記連結流路を介して前記冷却液流路の不凍液を前記ガス流路に流入させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell for generating electricity by reacting the supplied gas, and
A coolant flow path that serves as a flow path for circulating the antifreeze liquid;
A gas flow path through which a supply gas supplied to the fuel cell and a gas discharged from the fuel cell flow;
A connecting flow path connecting the gas flow path and the coolant flow path;
Control means for causing the antifreeze liquid in the coolant flow path to flow into the gas flow path via the connection flow path;
A fuel cell system comprising:
前記冷却液流路において不凍液を循環させる駆動源となる冷却液循環手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、システム停止時に前記連結流路バルブを制御して前記連結流路に不凍液が流れる状態にし、且つ前記冷却液循環手段を駆動させることにより前記連結流路を介して前記冷却液流路の不凍液を前記ガス流路に流入させる
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 connection flow path valve capable of adjusting the flow rate of the antifreeze flowing through the connection flow path;
A coolant circulation means that serves as a drive source for circulating the antifreeze liquid in the coolant flow path,
The control means controls the connection flow path valve when the system is stopped so that the antifreeze liquid flows through the connection flow path, and drives the cooling liquid circulation means to drive the cooling liquid flow through the connection flow path. The fuel cell system according to claim 1, wherein an antifreeze liquid in a passage is caused to flow into the gas passage.
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 fuel cell system according to claim 2, wherein the control unit fills the antifreeze liquid in the gas flow path after flowing the antifreeze liquid into the gas flow path.
前記制御手段は、前記連結流路バルブについて前記連結流路に不凍液が流れる状態であるときに、前記ガス供給手段に供給ガスを供給させることで、前記ガス流路に封入されていた不凍液を前記冷却液流路に戻す
ことを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。 Gas supply means for supplying a supply gas to the fuel cell;
The control means causes the gas supply means to supply a supply gas when the antifreeze liquid flows through the connection flow path with respect to the connection flow path valve, thereby removing the antifreeze liquid enclosed in the gas flow path. The fuel cell system according to claim 3, wherein the fuel cell system is returned to the coolant flow path.
ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The control means determines whether or not to allow the antifreeze liquid in the coolant flow path to flow into the gas flow path through the connection flow path, based on a system stop duration and an outside air temperature around the system. The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell system is provided.
ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the coolant channel is provided at a position higher than the gas channel.
ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein the gas flow path is provided at a position higher than the coolant flow path.
ことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 The water separation membrane which isolate | separates water from the antifreeze liquid which the density | concentration fell by containing the water produced | generated by the electric power generation in the said fuel cell, and makes an antifreeze liquid a predetermined density | concentration is further provided. 8. The fuel cell system according to any one of 7 above.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013026182A (en) * | 2011-07-26 | 2013-02-04 | Toshiba Corp | Fuel cell cogeneration system and fuel cell control method |
CN110828932A (en) * | 2018-08-14 | 2020-02-21 | 马勒国际有限公司 | Energy storage device for an electric or hybrid vehicle |
-
2006
- 2006-04-05 JP JP2006104135A patent/JP2007280715A/en active Pending
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