JP2011233490A - 熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムを提供する。
【解決手段】本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムは、燃料電池システムと、ヒートシンクシステムと、蓄熱システムと、制御モジュールと、を含み、ヒートシンクシステム内に熱交換器を設ける。そのうち、ヒートシンクシステムは、燃料電池に連通史、蓄熱システムは、熱交換器に接続し、前記制御モジュールは、燃料電池システムの起動信号を検測し、ヒートシンクシステム及び蓄熱システムの動作を制御することに用い、燃料電池が発生する熱エネルギーを蓄熱システムに伝達する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱共生システムに関し、特に燃料電池が発生する熱エネルギーをリサイクルするシステムに関する。

エネルギー源の欠乏を懸念し、各国は、何れも水素エネルギー源時代の到来の為に準備しており、燃料電池の清潔、高効率、多元化のエネルギー源の特性は、車両の動力、分散式発電、３Ｃ情報製品の電源等の商業製品に応用でき、燃料電池が最新鋭のエネルギー源技術となっている。燃料電池は、特殊な触媒で燃料及び酸素を反応させ、電気及び水を発生させ、タービン等の発電器具を稼動する必要がなく、水を水蒸気まで加熱し、散熱し、水に戻す必要もないので、エネルギー量変換効率が極めて高い。更に、二酸化炭素排出量がその他の発電設備に比べて低く、水は、無害な発生物であるので、汚染性の低いエネルギー源である。

しかしながら、燃料電池は、電力を発生すると同時に熱エネルギーも発生する。従って、熱エネルギーが燃料電池内から排出され、その熱エネルギーを保護又は安定させ、ヒートシンクシステムが相当重要なセグメントとなっており、更に、現在地球温暖化が日増しに深刻となり、各地の気候に異常が生じており、エネルギー源を如何に有効利用し、環境汚染等の問題を発生させないかが全世界で相当重視される議題となっている。

現在、ヒートシンクの方式は、導体、例えば、水を利用し、熱エネルギーを燃料電池から離散し、熱エネルギーを直接空気中に発散させ、散熱の目的を達成している。しかしながら、この種の方法は、エネルギー源を消費するだけでなく、更に環境温度上昇の補助となる可能性がある。また、散熱が不完全又は散熱速度が悪い時、熱エネルギーが燃料電池内に累積され、電力を変換する過程に影響を及ぼし、間接的に出力電圧不安定等を引き起こす。

本発明の目的は、熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムが、燃料電池が発生する熱エネルギーを回収再利用し、ヒートシンク効率を良好にし、随時、温度を監視制御し、熱交換の速度を制御し、燃料電池が最適温度の環境下で電気化学作用を行なうことができるようにし、電気エネルギー変換の最良効率を達成することである。

上記の効果を達成する為、本発明が提供する熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムは、燃料電池システムと、ヒートシンクシステムと、蓄熱システムと、制御モジュールと、を含み、該燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池から構成され、該ヒートシンクシステムは、第１熱交換管路と、ヒートシンク回流管路と、を含み、該第１熱交換管路は、該燃料電池システムの水流路の第１出力端及び第１入力端の間を連通することに用いられ、該第１熱交換管路は、水の流れる向きに従い順にヒートシンク循環モータと、第１流量センサと、第１三方弁と、第２流量センサと、熱交換器の第１側端と、第１温度センサと、を直列接続し、該ヒートシンク回流管路は、該第１三方弁の一端から該ヒートシンク循環モータ及び該第１出力端間の該第１熱交換管路まで連通してなり、該蓄熱システムは、保温装置と、第２熱交換管路と、蓄熱回流管と、を含み、該保温装置は、第２出力端、第２入力端及び複数の開口を有するハウジングと、該保温装置に結合し、該ハウジング中の水温を検出する第２温度センサと、を有し、該第２熱交換管路は、該第２出力端及び該第２入力端の間を連通し、該第２熱交換管路は、水の流れる向きに従い順に蓄熱循環モータと、第３流量センサと、第２三方弁と、該熱交換器の第２側端と、を直列接続してなり、該蓄熱回流管路は、該第２三方弁の一端から該熱交換器及び該第２入力端間の該第２熱交換管路まで連通してなり、該制御モジュールは、該燃料電池システムの起動信号を検測し、該ヒートシンクシステムを起動し、該蓄熱システムを起動し、熱交換プロセスを起動し、該第１熱交換管路及び該第２熱交換管路内の水に該熱交換器内で熱交換を行わせるステップを実行することに用いてなり、そのうち、該熱交換プロセスを行なう時、該燃料電池システム及び該保温装置内の水の間は、熱交換時物質の伝達移動を有さない。

本発明の実施により、少なくとも以下の効果を達成することができる。
一、燃料電池が発生する熱エネルギーをリサイクル運用し、例えば、ヒーター等に接続する。
二、ヒートシンク効率を向上する。
三、燃料電池に最適温度の環境下で電気化学作用を行わせ、電気エネルギー変換の最良効率を達成する。

本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムの部材接続の実施例図である。 本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムの制御モジュール起動フローの実施例図である。 本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムのヒートシンクシステムのプロセスの実施例図である。 本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムの蓄熱システムのプロセスの実施例図である。 本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムの熱交換プロセスの実施例図である。

図１は、本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムの部材接続の実施例図である。図２は、本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムの制御モジュール起動フローの実施例図である。図３は、本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムのヒートシンクシステムのプロセスの実施例図である。図４は、本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムの蓄熱システムのプロセスの実施例図である。図５は、本発明の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムの熱交換プロセスの実施例図である。

図１に示すように、本実施例は、熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システムであり、それは、燃料電池システム１０と、ヒートシンクシステム２０と、蓄熱システム３０と、制御モジュール４０と、を含む。

燃料電池システム１０は、少なくとも１つの燃料電池１１から構成され、電気エネルギーを発生することに用いられる。

ヒートシンクシステム２０は、第１熱交換管路２１と、ヒートシンク回流管路２２と、を有し、燃料電池システム１０が発生する熱エネルギーの除去を補助し、熱エネルギーが燃料電池システム１０内に累積し、電気エネルギー変換効率に変化が発生することを回避する。

前記第１熱交換管路２１は、燃料電池システム１０の水流路の第１出力端１２及び第１入力端１３の間を連通することに用いられ、該第１熱交換管路２１は、水の流れる向きに従い順にヒートシンク循環モータ２１１と、第１流量センサ２１２と、第１三方弁２１３と、第２流量センサ２１４と、熱交換器２１５の第１側端２１５ａと、第１温度センサ２１６と、を直列接続し、ヒートシンクを行い、同時に第１温度センサ２１６を利用し、第１熱交換管路２１内の水温を監視制御する。

そのうち、ヒートシンク回流管路２２は、第１三方弁２１３の一端からヒートシンク循環モータ２１１及び第１出力端１２間の第１熱交換管路２１まで連通してなり、第１熱交換管路２１内の水温が所定の温度又は蓄熱システム３０内の温度より低い時、第１三方弁２１３を制御し、第１熱交換管路２１内の水流をヒートシンク回流管路２２内に導入し、蓄熱システム３０の熱エネルギーが第１熱交換管路２１に電圧される状況の発生を回避する。

蓄熱システム３０は、保温装置３１と、第２熱交換管路３２と、蓄熱回流管３３と、を含む。熱交換器２１５の作用により、ヒートシンクシステム２０が含む熱エネルギーが蓄熱システム３０に伝達され、保存及び利用を行なうことができるようにする。そのうち、保温装置３１は、ハウジング３１１と、第２温度センサ３１２と、を含み、前記ハウジング３１１は、第２出力端３１１ａ、第２入力端３１１ｂ及び複数の開口３１１ｃを有し、第２温度センサ３１２は、保温装置３１に結合し、ハウジング中の水温を検出する。第２熱交換管路２１は、第２出力端３１１ａ及び第２入力端３１１ｂの間を連通することに用い、また、第２熱交換管路３２は、水の流れる向きに従い順に蓄熱循環モータ３２１と、第３流量センサ３２２と、第２三方弁３２３と、熱交換器２１５の第２側端２１５ｂと、を直列接続する。

蓄熱回流管路３３は、第２三方弁３２３の一端から熱交換器２１５及び第２入力端３１１ｂ間の第２熱交換管路３２まで連通してなる。この蓄熱回流管路３３は、蓄熱システム３０の温度がヒートシンクシステム２０より高い時、第２三方弁３２３により第２熱交換管路３２内の水を蓄熱回流管路３３内に導入し、蓄熱システム３０からヒートシンクシステム２０に熱エネルギーが伝達される状況が発生するのを回避する。

図２において、制御モジュール４０は、下記のステップを実行することに用いる。燃料電池システムの起動信号を検測し（Ｓ４１）、ヒートシンクシステムを起動し（Ｓ４２）、蓄熱システムを起動し（Ｓ４３）、熱交換プロセスを起動し（Ｓ４４）、それは、第１熱交換管路２１及び第２熱交換管路３２内の水に該熱交換器２１５内で熱交換を行わせる。そのうち、熱交換プロセスを行なう時、燃料電池システム１０及び保温装置３１内の水の間は、熱交換時物質の伝達移動を有さない。更に、この制御モジュール４０は、第１温度センサ２１６及び第２温度センサ３１２が測定する温度に基づき、比較を行なった後、熱交換プロセスを実行するかを決定し、蓄熱システム３０の熱エネルギーがヒートシンクシステム２０より高くなり、熱エネルギーの逆流が発生する状況を回避し、更に、燃料電池システム１０の損壊が起こることを回避する。

また、蓄熱システム３０内の開口３１１ｃは、ヒーター給水口Ａと、ヒーター水戻り口Ｂと、補水口Ｃと、給水口Ｄと、を含むことができ、後端設備に接続利用することができる。また、第１熱交換管路２１は、更にイオン水除去フィルタ２１７を更に直接接続し、且つイオン水除去フィルタ２１７は、第１温度センサ２１６と第１入力端１３の間に設置され、第１入力端１３の水質を濾過することに用い、
ＵＳＢハブ３０中にハブ制御ユニット３４を有し、ハブ制御ユニット３４中に複数のレジ不純物が管路から燃料電池システム１０内に流入し、燃料電池システム１０に損壊又は効率低下等が発生することを回避する。

図３において、ヒートシンクシステムを起動するプロセスが以下のステップを含む。ヒートシンク循環モータを起動し、第１流量を検測し（Ｓ５０）、第１流量が０ｌｐｍに等しい時、第１三方弁を制御し（Ｓ５１）、第１流量が０ｌｐｍより大きい時、第１定量流量制御を行う（Ｓ５２）。

ヒートシンク循環モータを起動し、第１流量を検測すること（Ｓ５０）は、ヒートシンク循環モータ２１１を起動し、第２流量センサ２１４により第１熱交換管路２１内の第１流量を検測することである。

第１流量が０ｌｐｍに等しい時、第１三方弁を制御すること（Ｓ５１）は、第１流量が０ｌｐｍに等しい時、第１三方弁２１３を制御し、水流をヒートシンク回流管路２２に向けることである。

第１流量が０ｌｐｍより大きい時、第１定量流量制御を行うこと（Ｓ５２）は、第１流量が０ｌｐｍより大きい時、第１定量流量制御を行い、それはヒートシンク循環モータ２１１により第１流量の大きさを維持することである。

また、第１流量の大きさが第１標準値と異なる時、制御モジュール４０は、更に第１警告機制を実行し、そのうち、該熱交換プロセスが起動される時、該第１流量が必要な最小流量値を該第１標準値とし、これにより、操作人員がそのヒートシンク状況を掌握できるようにし、熱エネルギー発散できなることを回避する。

図４において、蓄熱システムの起動は、以下のステップを含む。蓄熱循環モータを起動し、第２流量を検測し（Ｓ６０）、第２定量流量制御を行う（Ｓ６１）。蓄熱循環モータ３２１を起動し、第３流量センサ３２２により第２熱交換管路３２内の第２流量を検測し、蓄熱循環モータ３２１を介して、第２流量の大きさを維持する。そのうち、第２流量の大きさが第２標準値に等しくない時、制御モジュール４０は、更に第２警告機制を実行し、そのうち、該熱交換プロセスが起動される時、該第２流量が必要な最小流量値を該第２標準値とし、このモードを利用し、蓄熱システム３０内の熱エネルギーの累積を制御し、熱エネルギーがヒートシンクシステム２０に逆伝送されることを回避する。

第２流量センサ２１４が検測する第１熱交換管路２１内の第１流量の大きさが０に等しくなく、且つ第３流慮センサ３２２が検測する第２熱交換管路３２内の第２流量の大きさが０に等しくない時、第１温度センサ２１６及び第２温度センサ３１２が検測した温度を読み取り、熱交換プロセスを起動する。

図５において、熱交換プロセスは、以下のステップを含む。第１温度が第１臨界温度より小さく、且つ第２温度が第２臨界温度より小さい時、熱交換を行い（Ｓ７０）、第２温度が第２臨界温度より大きい時、第２三方弁を制御し、第１温度が第３臨界温度より大きい時、燃料電池システムの運転を停止し（Ｓ７１）、燃料電池システムが運転停止し、第２温度が第４臨界温度より小さくなり、且つ第１温度が第３臨界温度より小さくなった時、燃料電池システムの運転を再起動する（Ｓ７２）。

そのうち、第１温度は、第１温度センサ２１６により測定され、第２温度は、第２温度センサ３１２により測定される。

第１温度が第１臨界温度より小さく、且つ第２温度が第２臨界温度より小さい時、熱交換を行う（Ｓ７０）ことは、熱エネルギーをヒートシンクシステム２０から蓄熱システム３０に伝達させることである。

第２温度が第２臨界温度より大きい時、第２三方弁３２３を制御し、第２三方弁３２３を蓄熱回流管路３３と連通させ、第１温度が第３臨界温度より大きい時、燃料電子システムの運転を停止する（Ｓ７１）ことは、燃料電池システム１０の損壊又は効率低下を回避することができるものである。

燃料電池システムが運転を停止し、第２温度が第４臨界温度より小さく且つ第１温度が第３臨界温度より小さくなる時、燃料電池システムの運転を再起動する（Ｓ７２）ことは、燃料電池システム１０が損壊を発生しないように確保した時、燃料電池システム１０が電力を発生するよう再起動するものである。

また、制御モジュール４０は、更に以下のステップを実行することができる。時間値を設定し、第１流量及び第２流量の大きさが何れも０に等しい時、時間値の時間を経過した後、第１流量及び第２流量の大きさが何れも依然として０に等しい時、第３警告機制を行う。これにより、水が時間の経過により流動しなくなり、燃料電池システム１０に問題が発生することを回避することができる。また、第１温度が第１臨界温度より大きい時、制御モジュールは、更に第４警告機制を実行することができる。そのうち、第１臨界温度及び第２臨界温度は、何れも熱交換器２１５において最大熱交換効率を進行する時、燃料電池システム１０が測定した作業温度である。第３臨界温度は、燃料電池システム１０は、が耐えることができる最高温度である。第４臨界温度は、蓄熱システム３０を起動するのに必要な最高温度である。

本実施例は、ヒートシンク又は蓄熱の何れも最良の状態を達成することができ、燃料電池システム１０は、電力の発生又は熱エネルギーの利用の何れも最大値を発揮し、環境保護に対して相当大きな貢献となる。本実施例の実施により、少なくとも以下の効果を達成することができる。燃料電池システム１０が発生する熱エネルギーを運用し、例えば、ヒーター等の熱エネルギーが必要な器材に接続する。燃料電池システム１０のヒートシンク効率を向上する。燃料電池システム１０に最適温度の環境下で化学作用を行わせ、電気エネルギー変換の最良効率を達成する。

なお、本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない均等の範囲内で各種の変動や修正を加えることができることは勿論である。

１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池システム
１２ 第１出力端
１３ 第１入力端
２０ ヒートシンクシステム
２１ 第１熱交換管路
２１１ ヒートシンク循環モータ
２１２ 第１流量センサ
２１３ 第１三方弁
２１４ 第２流量センサ
２１５ 熱交換器
２１５ａ 第１側端
２１５ｂ 第２側端
２１６ 第１温度センサ
２１７ イオン水除去フィルタ
２２ ヒートシンク回流管路
３０ 蓄熱システム
３１ 保温装置
３１１ ハウジング
３１１ａ 第２出力端
３１１ｂ 第２入力端
３１１ｃ 開口
３１２ 第２温度センサ
３２ 第２熱交換管路
３２１ 蓄熱循環モータ
３２２ 第３流量センサ
３２３ 第２三方弁
３３ 蓄熱回流管路
４０ 制御モジュール
Ａ ヒーター給水口
Ｂ ヒーター水戻り口
Ｃ 補水口
Ｄ 給水口

Claims (10)

1. 燃料電池システムと、ヒートシンクシステムと、蓄熱システムと、制御モジュールと、を含み、
   該燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池から構成され、
   該ヒートシンクシステムは、第１熱交換管路と、ヒートシンク回流管路と、を含み、
   該第１熱交換管路は、該燃料電池システムの水流路の第１出力端及び第１入力端の間を連通することに用いられ、該第１熱交換管路は、水の流れる向きに従い順にヒートシンク循環モータと、第１流量センサと、第１三方弁と、第２流量センサと、熱交換器の第１側端と、第１温度センサと、を直列接続し、
   該ヒートシンク回流管路は、該第１三方弁の一端から該ヒートシンク循環モータ及び該第１出力端間の該第１熱交換管路まで連通してなり、
   該蓄熱システムは、保温装置と、第２熱交換管路と、蓄熱回流管と、を含み、
   該保温装置は、第２出力端、第２入力端及び複数の開口を有するハウジングと、該保温装置に結合し、該ハウジング中の水温を検出する第２温度センサと、を有し、
   該第２熱交換管路は、該第２出力端及び該第２入力端の間を連通し、該第２熱交換管路は、水の流れる向きに従い順に蓄熱循環モータと、第３流量センサと、第２三方弁と、該熱交換器の第２側端と、を直列接続してなり、
   該蓄熱回流管路は、該第２三方弁の一端から該熱交換器及び該第２入力端間の該第２熱交換管路まで連通してなり、
   該制御モジュールは、
   該燃料電池システムの起動信号を検測し、
   該ヒートシンクシステムを起動し、
   該蓄熱システムを起動し、
   熱交換プロセスを起動し、該第１熱交換管路及び該第２熱交換管路内の水に該熱交換器内で熱交換を行わせるステップを実行し、
   該熱交換プロセスを行なう時、該燃料電池システム及び該保温装置内の水の間は、熱交換時物質の伝達移動を有さない熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
2. 前記開口は、ヒーター給水口と、ヒーター水戻り口と、補水口と、給水口と、を含む請求項１に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
3. 前記第１熱交換管路は、更にイオン水除去フィルタを直列接続し、且つ該イオン水除去フィルタは、該第１温度センサ及び該第１入力端の間に設置される請求項１に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
4. 前記ヒートシンクシステムを起動するステップは、
   ヒートシンク循環モータを起動し、第２流量センサにより該第１熱交換管路内の第１流量を検測し、
   該第１流量の大きさが０に等しい時、該第１三方弁を制御し、該第１三方弁を該ヒートシンク回流管路と連通し、
   該第１流量の大きさが０より大きい時、第１定量流量制御を行い、該ヒートシンク循環モータにより該第１流量の大きさを維持することを含む請求項１に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
5. 前記第１流量の大きさが第１標準値に等しくない時、該制御モジュールが更に第１警告機制を実行し、該第１標準値が、該熱交換プロセスが起動される時、該第１流量が必要な最小流量値を第１標準値とするものである請求項４に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
6. 前記蓄熱システムを起動するステップは、
   該蓄熱循環モータを起動し、該第３流量センサが該第２熱交換管路内の第２流量を検測し、
   第２定量流量制御を行い、該蓄熱循環モータにより該第２流量の大きさを維持することを含む請求項１に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
7. 前記第２流量の大きさが第２標準値に等しくない時、該制御モジュールが第２警告機制を更に実行し、そのうち、該熱交換プロセスが起動される時、該第２流量が必要な最小流量値を該第２標準値とする請求項６に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
8. 前記第２流量センサが該第１熱交換管路内の第１流量の大きさが０に等しくないことを検測し、且つ該第３流量センサが該第２熱交換管路内の第２流量の大きさが０に等しくないことを検測する時、該第１温度センサ及び該第２温度センサが検束する温度を読み取り、該熱交換プロセスを起動し、該熱交換プロセスは、以下のステップ、
   該第１温度が第１臨界温度より小さく、且つ該第２温度が第２臨界温度より小さい時、熱交換を行い、
   該第２温度が該第２臨界温度より大きい時、該第２三方弁を制御し、該第１温度が第３臨界温度より大きい時、該燃料電池システムの運転を停止し、
   該燃料電池システムが運転停止し、該第２温度が第４臨界温度より小さくなり、且つ該第１温度が該第３臨界温度より小さくなった時、該燃料電池システムの運転を再起動することを含む請求項１に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
9. 前記制御モジュールは、以下のステップ、
   時間値を設定し、
   該第１流量及び該第２流量の大きさが０に等しい時、該時間値の時間を経過後、該第１流量及び該第２流量の大きさが依然として０に等しい時、第３警告機制を行なうことを行なうことに用いる請求項８に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。
10. 前記第１温度が該第１臨界温度より大きい時、該第１温度が該臨界温度より大きい時、該制御モジュールは、更に第４機制を実行し、また、該第１臨界温度が該熱交換器の熱交換効率が最大時、該燃料電池システムの作業温度であり、該第２臨界温度が該熱交換器の熱交換効率が最大時の該燃料電池システムの作業温度であり、該第３臨界温度が該燃料電池システムが耐えることができる最高温度であり、該第４臨界温度が蓄熱システムの起動に必要とする最高温度である請求項８に記載の熱リサイクル制御モジュールを備える燃料電池熱電共生システム。

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