JP2018097950A

JP2018097950A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2018097950A
Application number: JP2016239131A
Authority: JP
Inventors: 篤樹生駒; Atsuki Ikoma
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: US20190288304A1; EP3537525A1; US11152628B2; EP3537525B1; JP6645410B2; WO2018105205A1; EP3537525A4

Abstract

【課題】冷媒量の減少を防止することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池は、発電部と、発電部を冷却する冷媒が通流する冷媒流路と、発電部よりも鉛直方向下方の位置で冷媒流路に配置され冷媒を貯蔵するタンクと、冷媒流路の鉛直方向最上部とタンクとを接続する空気流路と、空気流路の設けられる開閉弁とを備える。開閉弁が開放されることにより、タンク内の空気は空気流路を介して冷媒流路に導入され、冷媒流路の冷媒はタンクに導入される。冷媒流路が大気と連通することがないので、気化した冷媒が大気に放出されることが防止され、冷媒量の減少を防止することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、スタックを冷却する冷媒が通流する冷媒流路と、冷媒流路に設けられるタンクとを備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、外部から供給される水素及び酸素を化学反応させることにより発電する発電部としてのスタックを備える。スタックにおいては、発電時に熱が発生するので、冷却を行う必要がある。スタックの冷却は、例えば水などの冷媒が循環する流路を形成することにより行われる。該流路を循環する水は、スタックの内部を通流する。発電中のスタックから熱が伝導された水は、例えばラジエータなどの熱交換器により放熱されることで冷却され、再度スタックに流入する。

従来の燃料電池システムの一例として、特許文献１に記載の燃料電池発電システムは、燃料電池スタックの発電停止時に、燃料電池スタック内の冷却水を冷却水タンクへ排出する。このシステムにおいて、タンク内の圧力を大気に対して所定圧だけ低く設定する差圧バルブが冷却水タンクに設けられている。また、燃料電池スタックの冷却室に空気を導入することによって冷却室内の冷却水を冷却水タンクに排出するエアバルブが冷却路に設けられている。

特開２００４−２２４３６号公報

しかしながら、特許文献１のシステムにおいては、エアバルブが開放されて冷却路に空気が導入され、差圧バルブを介して冷却水タンク内の空気が大気に放出されるときに、冷媒である水が気化して大気に放出される。このため、エアバルブの開放に伴い冷媒の量が減少してしまうという問題がある。冷媒量が減少することにより、燃料電池スタックの冷却効果が低下したり、メンテナンスにより冷媒を補充する頻度が増えてしまうといった問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、冷媒量の減少を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を冷却する冷媒が通流する冷媒流路と、前記冷媒流路において冷媒を循環させるために作動する循環ポンプと、前記冷媒流路内の冷媒と熱交換を行う熱交換器と、前記発電部よりも鉛直方向下方の位置で前記冷媒流路に配置され、冷媒を貯蔵するタンクと、一端が前記冷媒流路の一部に接続され、他端が前記タンクに接続される空気流路と、前記空気流路に設けられ、前記空気流路を開閉する第１開閉弁とを備え、前記空気流路の一部は、前記冷媒流路の鉛直方向最上部よりも高い位置に配置されることを特徴とするものである。

また、請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に、前記空気流路の一端は、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記発電部の上流側の位置で前記冷媒流路の一部に接続されることを特徴とするものである。

また、請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、更に、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記発電部の上流側の位置で前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒流路を循環する冷媒からイオンを除去するイオン交換樹脂を備え、前記空気流路の一端は、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記イオン交換樹脂の上流側の位置で前記冷媒流路の一部に接続されることを特徴とするものである。

また、請求項４記載の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムであって、更に、前記空気流路の一端は、前記イオン交換樹脂よりも鉛直方向上方の位置で前記冷媒流路の一部に接続されることを特徴とするものである。

また、請求項５記載の燃料電池システムは、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に、前記空気流路の一端は、前記冷媒流路の鉛直方向最上部に接続されることを特徴とするものである。

また、請求項６記載の燃料電池システムは、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に、前記空気流路の一端は、前記冷媒流路に、上方から接続されることを特徴とするものである。

また、請求項７記載の燃料電池システムは、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に、前記空気流路に設けられる前記第１開閉弁の数は１つであることを特徴とするものである。

また、請求項８記載の燃料電池システムは、請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に、前記第１開閉弁はノーマルオープン型の電磁弁であることを特徴とするものである。

また、請求項９記載の燃料電池システムは、請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に、前記空気流路の流路断面積は、前記冷媒流路の流路断面積よりも小さいことを特徴とするものである。

また、請求項１０記載の燃料電池システムは、請求項３または４に記載の燃料電池システムであって、更に、一端が前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記イオン交換樹脂の下流側かつ前記イオン交換樹脂よりも鉛直方向下方の位置で前記冷媒流路に接続され、他端が前記タンクに接続される冷媒バイパス路と、前記冷媒バイパス路に設けられ、前記冷媒バイパス路を開閉する第２開閉弁とを備えることを特徴とするものである。

また、請求項１１記載の燃料電池システムは、請求項１０に記載の燃料電池システムであって、更に、前記第２開閉弁はノーマルオープン型の電磁弁であることを特徴とするものである。

請求項１記載の燃料電池システムによれば、第１開閉弁が開放されることにより、タンク内の空気は空気流路を介して冷媒流路の一部に導入され、冷媒流路内の冷媒はタンクに導入される。このため、冷媒流路が大気と連通することがなく、気化した冷媒が大気に放出されることが防止される。また、空気流路の一部は、冷媒流路の鉛直方向最上部よりも高い位置に配置されるため、第１開閉弁が開放される際に、空気流路に冷媒が流入することがなく、空気流路を介してタンク内の空気を確実に冷媒流路に導入することができる。

また、請求項２記載の燃料電池システムによれば、空気流路が熱交換器と発電部との間に接続されることにより、冷媒を、より確実にタンクに導入することができる。一般的に、熱交換と発電部とは、内部の流路が長く複雑になっているため流路抵抗が大きい。このため、空気流路が熱交換器と発電部との間に接続されることで、熱交換器内の冷媒及び発電部内の冷媒をタンクに導入しやすくすることができる。

また、請求項３記載の燃料電池システムによれば、空気流路が熱交換器とイオン交換樹脂との間に接続されることにより、冷媒を、より確実にタンクに導入することができる。一般的に、イオン交換樹脂は、内部にフィルタが設けられているため流路抵抗が大きい。このため、空気流路が熱交換器とイオン交換樹脂との間に接続されることで、イオン交換樹脂内の冷媒をタンクに導入しやすくすることができる。

また、請求項４記載の燃料電池システムによれば、空気流路がイオン交換樹脂よりも鉛直方向上方の位置で冷媒流路に接続されることにより、タンク内の空気をイオン交換樹脂内に導入し、イオン交換樹脂内の冷媒をタンクに導入しやすくすることができる。

また、請求項５記載の燃料電池システムによれば、冷媒流路の最上部から空気が導入されることにより、冷媒流路全体の冷媒を確実にタンクに導入することができる。

また、請求項６記載の燃料電池システムによれば、空気流路の一端が冷媒流路に上方から接続されることにより、空気流路に冷媒が入り難い。このため、より確実に冷媒をタンクに導入することができる。

また、請求項７記載の燃料電池システムによれば、１つの開閉弁を開状態にするだけで、タンク内の空気は冷媒流路に導入される。このため、部品点数を少なくし、コストを低く抑えることができる。

また、請求項８記載の燃料電池システムによれば、第１開閉弁を開閉するための電源が遮断された場合であっても、第１開閉弁は開状態となり、冷媒をタンクに導入することができる。

また、請求項９記載の燃料電池システムによれば、空気流路の流路断面積は冷媒流路の流路断面積よりも小さいため、空気流路に冷媒が入り難い。このため、より確実に冷媒をタンクに導入することができる。また、空気流路の配管や継手等の部品を小さくすることができ、燃料電池システムをコンパクトにすることができる。

また、請求項１０記載の燃料電池システムによれば、イオン交換樹脂内の冷媒を、発電部を介すことなくタンクに導入することができる。このため、イオン交換樹脂内の冷媒をより確実にタンクに導入することができる。

また、請求項１１記載の燃料電池システムによれば、第２開閉弁を開閉するための電源が遮断された場合であっても、第２開閉弁は開状態となり、冷媒をタンクに導入することができる。

一実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

燃料電池システム１は例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell）等である。燃料電池システム１は、水素及び酸素の反応により発電するスタック２と、冷却水流路３と、放熱液流路４と、加熱液流路５と、空気流路６と、冷却水バイパス路７とを備える。スタック２に水素を供給する水素供給部及び酸素を供給する酸素供給部は、特許文献１によって公知であるので、図中での表示は省略している。

冷却水流路３には、冷却水タンク８、冷却ポンプ９、第１熱交換器１０、第２熱交換器１１、イオン交換樹脂１２、及び導電率計１３が設けられる。冷却水流路３には冷媒としての冷却水が通流する。冷却ポンプから送出される冷却水は、第１熱交換器１０、第２熱交換器１１、及びイオン交換樹脂１２を順に通流し、導電率計１３により導電率が測定された後、スタック２へ導入される。スタック２内の通流路を通流して排出される冷却水は、冷却水タンク８に貯留された後、再び冷却ポンプ９に戻る。冷却ポンプ９が作動することにより、冷却水は冷却水流路３を循環する。

冷却水タンク８及び冷却ポンプ９は、鉛直方向に略同じ高さに配置される。冷却水タンク８及び冷却ポンプ９は、スタック２、第１熱交換器１０、第２熱交換器１１、及びイオン交換樹脂１２よりも鉛直方向下方に配置される。第１熱交換器１０は、第２熱交換器１１よりも鉛直方向下方に配置される。

冷却水流路３のうち、冷却水タンク８と冷却ポンプ９とを繋ぐ部分の、冷却水タンク８に接続される側の一端は、冷却水タンク８の側面の下端に接続される。また、冷却水流路３のうち、スタック２と冷却水タンク８とを繋ぐ部分の、冷却水タンク８に接続される側の一端は、冷却水タンク８の上面に接続される。冷却水タンク８は、冷却水タンク８を除く冷却水流路３全体の容積よりも大きい容積を備える。

イオン交換樹脂１０は、内部にフィルタを備え、冷却水流路３内の冷却水からイオンを除去する。スタック２を冷却する冷却水のイオン濃度が高くなると、スタック２で発電した電気が冷却水を通してリークしてしまい、スタック２の発電効率が低下する。このため、イオン交換樹脂１２及び導電率計１３を、冷却水の流れ方向におけるスタック２の上流側に配置し、導電率計１３により冷却水のイオン濃度を監視する。

放熱液流路４には、ラジエータ１４及び放熱ポンプ１５が設けられ、熱媒体としての放熱液が通流する。放熱液流路４は、放熱ポンプ１５から送出された放熱液が第１熱交換器１０を通流した後、ラジエータ１４を通流し、放熱ポンプ１４に戻るように形成されている。放熱液は、第１熱交換器１０において冷却水流路３内の冷却水と熱交換を行う。放熱液として、例えばエチレングリコール等の不凍液を用いる。

加熱液流路５には、加熱ポンプ１６及びヒータ１７が設けられ、熱媒体としての加熱液が通流する。加熱液流路５は、加熱ポンプ１６から送出された加熱液がヒータ１７を通流した後、第２熱交換器１１を通流し、加熱ポンプ１６に戻るように形成されている。加熱液は、第２熱交換器１１において冷却水流路３内の冷却水と熱交換を行う。加熱液として、例えばエチレングリコール等の不凍液を用いる。

加熱液流路５の一部は、冷却水タンク８及び冷却ポンプ９の表面に沿うように近接して配置される。また、加熱液流路５の一部は、冷却水流路３のうち、特に冷却水が残りやすい部分に沿うように近接して配置される。これは、後述する水抜き処理時において、仮に冷却水の一部が冷却水路３内に残り凍結した場合であっても、再び外部電源が接続された場合に解凍するためである。また、水素供給部として水素吸蔵合金を内蔵したボンベが用いられる場合には、加熱液流路１６は、ボンベに近接して配置されてもよい。

空気流路６は、冷却水流路３と冷却水タンク８とを接続し、大気に開放されない流路である。空気流路６の一端は、冷却水流路３の冷却水の流れ方向における第２熱交換器１１の下流側かつイオン交換樹脂１２の上流側、かつ、冷却水流路３の鉛直方向最上部に、上方から接続される。空気流路６の他端は、冷却水タンク８の上面に接続される。空気流路６は、冷却水流路３の最上部よりも高い位置を通るように配置される。空気流路６の途中には、一個の空気遮断弁１８が設けられる。空気遮断弁１８は、ノーマルオープン型の電磁弁である。空気流路６の流路断面積は、冷却水流路３の流路断面積よりも小さい。例えば、空気流路６は内径６ｍｍの配管で構成され、冷却水流路３は内径８ｍｍの配管で構成される。

冷却水バイパス流路７は、冷却水流路３と冷却水タンク８とを接続する配管である。冷却水バイパス流路７の一端は、冷却水流路３の冷却水の流れ方向におけるイオン交換樹脂１２の下流側かつ導電率計１３の上流側、かつ、イオン交換樹脂１２及び導電率計１３よりも鉛直方向下方に接続される。冷却水バイパス流路７の他端は、冷却水タンク８の上面に接続される。冷却水バイパス流路７の途中には、バイパス弁１９が配置される。バイパス弁１９は、ノーマルオープン型の電磁弁である。

上記の構成の燃料電池システム１は、例えば外部装置等から発電の指示を受けた場合、スタック２に、水素供給部から水素を供給し、同じく酸素供給部から酸素を供給することにより、発電する。

燃料電池システム１は、冷却ポンプ９、放熱ポンプ１５、及び加熱ポンプ１６を作動させる。これにより、冷却水は冷却水流路３を循環し、放熱液は放熱液流路４を循環し、加熱液は加熱液流路５を循環する。尚、スタック２における発電時には、空気遮断弁１８及びバイパス弁１９は閉止した状態である。

スタック２における発電で生じる反応は発熱反応であり、スタック２は冷却水流路３内を通流する冷却水により冷却される。スタック２から排出された冷却水の熱は、第１熱交換器１０において放熱液流路４の放熱液に伝導され、該放熱液はラジエータ１４において熱を放出する。

第１熱交換器１０を通過し、更に第２熱交換器１１へと導入された冷却水の熱は、第２熱交換器１１において加熱液流路５の加熱液へ伝導される。加熱液へ伝導された熱は、冷却水タンク８と、冷却水流路３のうち近接して配置された部分とに伝導される。また、水素供給部として水素吸蔵合金を内蔵したボンベが用いられる場合には、加熱液へ伝導された熱はボンベにも伝導される。水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応であるため、水素吸蔵合金を内蔵したボンベは、加熱液から熱を伝導されることにより水素を放出することができる。

燃料電池システム１は、外部装置等から停止の指示を受けた場合、スタック２への水素及び酸素の供給を停止し、待機状態となる。このとき、例えば、外気温が氷点下の場合、冷却水が凍結する虞がある。冷却水が凍結した場合、膨張することにより、スタック２等の部品が破損してしまう虞がある。このため、燃料電池システム１は、待機状態において、冷却ポンプ９及び加熱ポンプ１６を作動させ、第２熱交換器１１において加熱液と冷却水とを熱交換させ、冷却水の凍結を防止する。また、外気温が更に低い場合には、燃料電池システム１は更にヒータ１７を作動させる。

しかしながら、例えば燃料電池システム１のメンテナンス時や長期保管時などで電源が遮断される場合には、冷却ポンプ８、加熱ポンプ１６、及びヒータ１７を作動させることができない。このため、燃料電池システム１は、水抜き処理を実施する。

燃料電池システム１は、待機状態において外部装置等から水抜き処理の指示を受けた場合、冷却ポンプ９が作動している場合には、冷却ポンプ９を停止させる。また、空気遮断弁１８とバイパス弁１９とを開状態にする。

冷却水タンク８内の空気は、空気流路６及び空気遮断弁１８を介して、冷却水流路３に導入される。冷却水流路３内に導入された空気は、イオン交換樹脂１２内に進入して、イオン交換樹脂１２内の冷却水をバイパス流路７を介して冷却水タンク８へと排出する。また、冷却水流路３内に導入された空気は、第２熱交換器１１及び第１熱交換器１０内に進入して、第２熱交換器１１及び第１熱交換器１０内の冷却水を、冷却ポンプ９を介して冷却水タンク８へと排出する。この場合、冷却ポンプ９内の冷却水は、必ずしも全て冷却水タンク８へと排出されなければならないわけではなく、一部は冷却ポンプ９内に留まっていてもよい。また、イオン交換樹脂１２を通過した空気の一部は導電率計１３を介してスタック２内に侵入し、スタック２内の冷却水を冷却水タンク８へと排出する。

以上のように水抜き処理を実施することにより、スタック２等の部品内の冷却水を冷却水タンク８に排出することができるので、外気温が氷点下になった場合であっても、スタック２等の破損を防止することができる。冷却水タンク８内では冷却水が凍結するが、冷却水タンク８は、冷却水タンク８を除く冷却水流路３全体の容積よりも大きい容積を備えているため、破損することはない。

燃料電池システム１は、外部電源が再び接続され、冷却水タンク８内及び冷却ポンプ９内に貯留された冷却水が凍結している場合、加熱ポンプ１６及びヒータ１７を作動させることで、ヒータ１７の熱により冷却水を解凍することができる。これにより、燃料電池システム１は、再び待機状態となる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、燃料電池システム１の水抜き処理時には、冷却水流路３は大気と連通することなく、冷却水流路３の冷却水は冷却水タンク９に導入される。このため、気化した冷却水が大気に放出されることが防止される。冷却水の放出を防止することにより、冷却水の量が減少することが防止され、スタック２の冷却効果を維持することができる。また、メンテナンスにより冷却水を補充する頻度を減らすことができる。

また、冷却水流路３と大気とが連通することがないため、大気から冷却水流路３への埃、ごみ、及び異物等の混入を防止することができる。このため、メンテナンスにより冷却水を交換したり、補充する頻度を低減させることができる。

また、空気流路６の一端は冷却水流路３の鉛直方向最上部に接続されるので、冷却水流路３全体の冷却水を、冷却水タンク８に確実に導入することができる。

また、冷却水バイパス路７の一端は冷却水流路３の冷却水の流れ方向におけるイオン交換樹脂１２の下流側かつイオン交換樹脂１２よりも鉛直方向下方の位置で冷却水流路３に接続されるので、内部にフィルタが設けられており流路抵抗が大きいイオン交換樹脂１２内の冷却水を、冷却水バイパス流路７を介して確実に冷却水タンク８に導入することができる。

また、燃料電池システム１は、外部装置等から水抜き処理の指示を受けることなく外部電源が遮断された場合であっても、空気遮断弁１８及びバイパス弁１９はノーマルオープン型の電磁弁であるので開放状態となり、水抜き処理を実施することができる。

［本発明と実施形態との構成の対応関係］
本実施形態のスタック２は、本発明の発電部の一例である。本実施形態の冷却水流路３は、本発明の冷媒流路の一例である。本実施形態の冷却水バイパス路７は、本発明の冷媒バイパス路の一例である。本実施形態の冷却水タンク８は、本発明のタンクの一例である。本実施形態の冷却ポンプ９は、本発明の循環ポンプの一例である。本実施形態の第１熱交換器１０及び第２熱交換器１１は、本発明の熱交換器の一例である。本実施形態の空気遮断弁１８は、本発明の第１開閉弁の一例である。本実施形態のバイパス弁１９は、本発明の第２開閉弁の一例である。

１燃料電池システム
２スタック
３冷却水流路
４放熱液流路
５加熱液流路
６空気流路
７冷却水バイパス路
８冷却水タンク
９冷却ポンプ
１０第１熱交換器
１１第２熱交換器
１２イオン交換樹脂
１８空気遮断弁
１９バイパス弁

Claims

水素及び酸素を反応させて発電する発電部を冷却する冷媒が通流する冷媒流路と、
前記冷媒流路において冷媒を循環させるために作動する循環ポンプと、
前記冷媒流路内の冷媒と熱交換を行う熱交換器と、
前記発電部よりも鉛直方向下方の位置で前記冷媒流路に配置され、冷媒を貯蔵するタンクと、
一端が前記冷媒流路の一部に接続され、他端が前記タンクに接続される空気流路と、
前記空気流路に設けられ、前記空気流路を開閉する第１開閉弁とを備え、
前記空気流路の一部は、前記冷媒流路の鉛直方向最上部よりも高い位置に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
前記空気流路の一端は、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記発電部の上流側の位置で前記冷媒流路の一部に接続され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。
前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記発電部の上流側の位置で前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒流路を循環する冷媒からイオンを除去するイオン交換樹脂を備え、
前記空気流路の一端は、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記イオン交換樹脂の上流側の位置で前記冷媒流路の一部に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記空気流路の一端は、前記イオン交換樹脂よりも鉛直方向上方の位置で前記冷媒流路の一部に接続されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記空気流路の一端は、前記冷媒流路の鉛直方向最上部に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記空気流路の一端は、前記冷媒流路に、上方から接続されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記空気流路に設けられる前記第１開閉弁の数は１つであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記第１開閉弁はノーマルオープン型の電磁弁であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
前記空気流路の流路断面積は、前記冷媒流路の流路断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
一端が前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記イオン交換樹脂の下流側かつ前記イオン交換樹脂よりも鉛直方向下方の位置で前記冷媒流路に接続され、他端が前記タンクに接続される冷媒バイパス路と、
前記冷媒バイパス路に設けられ、前記冷媒バイパス路を開閉する第２開閉弁と
を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
前記第２開閉弁はノーマルオープン型の電磁弁であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。