JP2018147730A - 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し、さらに詳しくは、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンクと、水素貯蔵材料が内封された反応器の双方を備え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 provided with both a hydrogen tank storing hydrogen gas and a reactor enclosing a hydrogen storage material as a fuel source.
水素を燃料ガスに用いた燃料電池システムにおいて、水素源には、水素ガスタンク、液体水素タンク、水素貯蔵材料を充填したタンクなどが用いられる。これらの内、水素貯蔵材料を充填したタンクは単位体積あたりの水素貯蔵密度が高いので、システムを小型化することができる。そのため、これを用いた燃料電池システムは、特に移動体用のエネルギー源として好適である。
燃料電池には適切な作動温度域があるため、高い発電効率を得るためには、燃料電池の温度を適切な温度範囲に維持する必要がある。また、水素貯蔵材料は、水素ガスの吸蔵時には発熱を伴い、水素ガスの放出時には吸熱を伴うため、適時に水素を吸蔵/放出させるためには、水素貯蔵材料の熱管理が必要となる。
In a fuel cell system using hydrogen as a fuel gas, a hydrogen gas tank, a liquid hydrogen tank, a tank filled with a hydrogen storage material, or the like is used as a hydrogen source. Among these, the tank filled with the hydrogen storage material has a high hydrogen storage density per unit volume, so that the system can be miniaturized. Therefore, a fuel cell system using this is particularly suitable as an energy source for moving objects.
Since the fuel cell has an appropriate operating temperature range, it is necessary to maintain the temperature of the fuel cell within an appropriate temperature range in order to obtain high power generation efficiency. In addition, since the hydrogen storage material generates heat when storing hydrogen gas and generates heat when releasing hydrogen gas, thermal management of the hydrogen storage material is necessary to store and release hydrogen in a timely manner.
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、燃料電池システムの始動時において、
(a)駆動モータの車両駆動出力軸を固定した状態で駆動モータに電力を供給し、駆動モータにより消費された電力を熱として放出させ、この熱を用いて燃料電池の冷却水温度を上昇させると同時に、
(b)発電可能な電力より低い電力出力で燃料電池スタックを発電させ、燃料電池スタック自身を発熱させることで、燃料電池スタックを内部から暖機する
燃料電池システムが開示されている。
同文献には、このような方法により、エネルギーロスを大きくすることなく燃料電池スタックの暖機を促進できる点が記載されている。
In order to solve this problem, various proposals have heretofore been made.
For example, in
(A) Electric power is supplied to the drive motor while the vehicle drive output shaft of the drive motor is fixed, the electric power consumed by the drive motor is released as heat, and the cooling water temperature of the fuel cell is increased using this heat. At the same time
(B) A fuel cell system that warms up the fuel cell stack from the inside by generating the fuel cell stack with a power output lower than the power that can be generated and generating heat by the fuel cell stack itself is disclosed.
This document describes that such a method can promote warm-up of the fuel cell stack without increasing energy loss.
また、特許文献2には、1つのラジエタファンを用いて燃料電池の冷却液と他の放熱手段とを同時に冷却する場合において、燃料電池の冷却液を所定の比率でラジエタ方向とラジエタバイパス方向に分流する冷却系制御装置が開示されている。
同文献には、ラジエタファンを用いて、主として他の放熱手段を冷却する時には、燃料電池の冷却液をラジエタバイパス方向により多く流すことにより、燃料電池の冷却液の温度が過度に低下することを抑制できる点が記載されている。
Further, in Patent Document 2, when a single radiator fan is used to simultaneously cool the fuel cell coolant and the other heat dissipating means, the fuel cell coolant is cooled at a predetermined ratio in the radiator direction and the radiator bypass direction. A shunt cooling system control device is disclosed.
This document states that when a radiator fan is used to mainly cool other heat radiating means, the temperature of the fuel cell coolant decreases excessively by flowing more fuel cell coolant in the radiator bypass direction. The point which can be suppressed is described.
また、特許文献3には、燃料電池とラジエタとの間で冷却液を循環させ、ラジエタをファンで冷却する場合において、
(a)ファンの回転数に制限回転数を設け、
(b)燃料電池の使用環境に応じて制限回転数を変更可能とし、かつ、
(c)燃料電池の使用環境が変化し、制限回転数の変更が必要となった時には、使用環境の変化よりも遅れて制限回転数を変更する
燃料電池の冷却制御装置が開示されている。
同文献には、このような方法により、冷却性能と音振性能の双方の要求を両立することができる点が記載されている。
Further, in Patent Document 3, a coolant is circulated between the fuel cell and the radiator, and the radiator is cooled by a fan.
(A) A limited rotation speed is provided for the rotation speed of the fan,
(B) The speed limit can be changed according to the use environment of the fuel cell, and
(C) A fuel cell cooling control device is disclosed in which when the use environment of a fuel cell changes and a change in the limit rotation speed is required, the limit rotation speed is changed after the change in the use environment.
This document describes that both the cooling performance and the sound vibration performance can be satisfied by such a method.
さらに、非特許文献1には、水素タンクと燃料電池の間に水素吸蔵合金を内封した2つの反応器を設置し、水素吸蔵合金の水素吸蔵/放出に伴う発熱/吸熱を空調に用いるシステムが提案されている。
Furthermore, in
燃料電池の温度管理は、一般にラジエタを用いて行われている。燃料電池とラジエタとの間で冷却液を循環させる場合において、燃料電池の排熱温度が相対的に低い時には、ラジエタの熱交換部と外界温度との温度差ΔTが小さくなる。この場合、燃料電池からの排熱処理を効率良く行うためには、大型のラジエタが必要となる。しかし、大型のラジエタを用いると、燃料電池システムの形状自由度が低下する。 The temperature control of the fuel cell is generally performed using a radiator. When the coolant is circulated between the fuel cell and the radiator, when the exhaust heat temperature of the fuel cell is relatively low, the temperature difference ΔT between the heat exchanging portion of the radiator and the ambient temperature becomes small. In this case, a large radiator is required in order to efficiently perform the exhaust heat treatment from the fuel cell. However, when a large radiator is used, the degree of freedom of shape of the fuel cell system is lowered.
一方、非特許文献1には、水素吸蔵合金の水素吸蔵/放出に伴う発熱/吸熱を空調に用いるシステムが開示されている。しかし、例えば、空調が冷却を必要としている時には、空調の熱を用いて水素吸蔵合金から水素を放出させることはできるが、水素吸蔵時の発熱を空調で利用することはできない。一方、空調が加熱を必要としている時には、水素吸蔵時の発熱を空調で利用することはできるが、水素吸蔵合金から水素を放出させる際には、他に熱源が必要となる。そのため、水素吸蔵合金と空調とを単に熱的に接続しただけのシステムでは、熱の有効利用が不十分である。
On the other hand, Non-Patent
本発明が解決しようとする課題は、水素タンク及び水素貯蔵材料を水素源に用いた燃料電池システムにおいて、大型の冷却装置を用いることなく燃料電池の温度を適切な温度に維持することを可能にすることにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、水素タンク及び水素貯蔵材料を水素源に用いた燃料電池システムにおいて、他の熱源や冷却源を用いることなく、水素の吸蔵/放出を可逆的に行うことを可能にすることにある。
The problem to be solved by the present invention is that in a fuel cell system using a hydrogen tank and a hydrogen storage material as a hydrogen source, the temperature of the fuel cell can be maintained at an appropriate temperature without using a large cooling device. There is to do.
Further, another problem to be solved by the present invention is that a fuel cell system using a hydrogen tank and a hydrogen storage material as a hydrogen source can reversibly store and release hydrogen without using another heat source or cooling source. There is in making it possible to do.
また、本発明が解決しようとする他の課題は、燃料電池からの排熱を蓄熱し、燃料電池の暖機や空調に用い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。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system that can store exhaust heat from the fuel cell and can be used for warming up or air-conditioning the fuel cell.
Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell system with high energy efficiency.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
(1)前記燃料電池システムは、
水素ガスを燃料とする燃料電池と、
前記水素ガスを貯蔵するための水素タンクと、
前記燃料電池に供給するための前記水素ガスを放出し、又は、前記水素タンクから供給される前記水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器と、
前記燃料電池との間で冷媒を循環させることによって、前記燃料電池と熱交換を行うための冷却装置と、
前記燃料電池の燃料流路と前記水素タンクとを接続するための第1水素ガスラインと、
前記反応器の水素流路と前記第1水素ガスラインとを接続するための第2水素ガスラインと、
前記燃料電池の冷媒流路(A)と前記冷却装置の冷媒流路(B)とを接続するための第1熱交換ラインと、
前記反応器の冷媒流路(C)を前記第1熱交換ラインに対して並列に接続するための第2熱交換ラインと
を備えている。
(2)前記第1水素ガスラインは、前記燃料電池から前記水素タンクに向かって前記水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、前記第1水素ガスラインをn個(n≧2)の圧力領域(第k圧力領域の圧力:Pk<第(k+1)圧力領域の圧力:Pk+1)に分割するための第k減圧手段(1≦k≦n−1)を備えている。
(3)前記第2水素ガスラインは、前記反応器の前記水素流路を前記第1圧力領域若しくは前記第k圧力領域(2≦k≦n)のいずれか一方に切り替えて接続し、又は、前記第1水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。
(4)前記第1熱交換ラインは、前記燃料電池の前記冷媒流路(A)から排出された前記冷媒を、そのまま前記燃料電池の前記冷媒流路(A)に戻すためのバイパス熱交換ラインを備えている。
(5)前記第2熱交換ラインは、前記冷媒が前記燃料電池−前記冷却装置間、又は前記燃料電池−前記バイパス熱交換ライン間を循環する時に、前記冷媒の一部を前記反応器の冷媒流路(C)に流すための流量調節手段を備えている。
In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention has the following configuration.
(1) The fuel cell system includes:
A fuel cell using hydrogen gas as fuel;
A hydrogen tank for storing the hydrogen gas;
A reactor in which a hydrogen storage material for discharging the hydrogen gas to be supplied to the fuel cell or storing the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank is enclosed;
A cooling device for exchanging heat with the fuel cell by circulating a refrigerant with the fuel cell;
A first hydrogen gas line for connecting a fuel flow path of the fuel cell and the hydrogen tank;
A second hydrogen gas line for connecting the hydrogen flow path of the reactor and the first hydrogen gas line;
A first heat exchange line for connecting the refrigerant flow path (A) of the fuel cell and the refrigerant flow path (B) of the cooling device;
And a second heat exchange line for connecting the refrigerant flow path (C) of the reactor in parallel to the first heat exchange line.
(2) The first hydrogen gas lines include n (n ≧ 2) first hydrogen gas lines so that the pressure of the hydrogen gas gradually increases from the fuel cell toward the hydrogen tank. K-th pressure reducing means (1 ≦ k ≦ n−1) for dividing the pressure region (pressure in the kth pressure region: P k <pressure in the (k + 1) th pressure region: P k + 1) is provided.
(3) The second hydrogen gas line connects the hydrogen flow path of the reactor by switching to one of the first pressure region or the kth pressure region (2 ≦ k ≦ n), or Hydrogen gas switching means for cutting off the connection with the first hydrogen gas line is provided.
(4) The first heat exchange line is a bypass heat exchange line for returning the refrigerant discharged from the refrigerant flow path (A) of the fuel cell to the refrigerant flow path (A) of the fuel cell as it is. It has.
(5) In the second heat exchange line, when the refrigerant circulates between the fuel cell and the cooling device or between the fuel cell and the bypass heat exchange line, a part of the refrigerant is used as the refrigerant of the reactor. A flow rate adjusting means for flowing through the flow path (C) is provided.
本発明に係る燃料電池システムは、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンクと、水素貯蔵材料を内封した反応器の双方を備えている。そのため、始動時に水素タンクから反応器に水素を供給すると、水素貯蔵材料が水素ガスを吸蔵し、発熱する。この時、熱交換ラインを燃料電池−バイパス熱交換ライン間の循環冷却に切り替えると同時に、冷媒の一部を反応器に分配すると、冷媒が冷却装置に熱を奪われることがなく、かつ、冷媒には水素吸蔵に伴う反応熱が加算される。その結果、外部熱源を用いることなく、燃料電池の温度を速やかに上昇させることができる。燃料電池が所定の温度まで上昇した後、水素ガスラインを水素タンクから燃料電池への供給に切り替え、かつ、熱交換ラインを燃料電池−冷却装置間の循環冷却に切り替える。 The fuel cell system according to the present invention includes both a hydrogen tank storing hydrogen gas and a reactor enclosing a hydrogen storage material as fuel sources. Therefore, when hydrogen is supplied from the hydrogen tank to the reactor at the start, the hydrogen storage material occludes hydrogen gas and generates heat. At this time, when the heat exchange line is switched to circulation cooling between the fuel cell and the bypass heat exchange line, and at the same time, when a part of the refrigerant is distributed to the reactor, the refrigerant is not deprived of heat by the cooling device, and the refrigerant The reaction heat accompanying hydrogen storage is added to. As a result, the temperature of the fuel cell can be quickly raised without using an external heat source. After the fuel cell rises to a predetermined temperature, the hydrogen gas line is switched to supply from the hydrogen tank to the fuel cell, and the heat exchange line is switched to circulation cooling between the fuel cell and the cooling device.
一方、燃料電池が定常運転状態に入った後、燃料電池の温度が過度に上昇した時には、熱交換ラインを燃料電池−冷却装置間の循環冷却に維持したまま、冷媒の一部を反応器に分配する。また、これと同時に、水素ガスラインを反応器から燃料電池への供給ラインに切り替える。その結果、水素貯蔵材料が冷媒の熱を吸収し、水素ガスを放出する。また、水素放出反応(吸熱反応)により、冷媒が冷却される。その結果、小型の冷却装置を用いた場合であっても、燃料電池を冷却することができる。 On the other hand, when the temperature of the fuel cell rises excessively after the fuel cell enters the steady operation state, a part of the refrigerant is fed into the reactor while maintaining the heat exchange line in circulation cooling between the fuel cell and the cooling device. Distribute. At the same time, the hydrogen gas line is switched to the supply line from the reactor to the fuel cell. As a result, the hydrogen storage material absorbs the heat of the refrigerant and releases hydrogen gas. Further, the refrigerant is cooled by a hydrogen releasing reaction (endothermic reaction). As a result, the fuel cell can be cooled even when a small cooling device is used.
以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 燃料電池システム]
図1に、本発明に係る燃料電池システムの模式図を示す。図1において、燃料電池システム10は、
水素ガスを燃料とする燃料電池12と、
水素ガスを貯蔵するための水素タンク16と、
燃料電池12に供給するための水素ガスを放出し、又は、水素タンク16から供給される水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器18と、
燃料電池12との間で冷媒を循環させることによって、燃料電池12と熱交換を行うための冷却装置20と、
燃料電池12の燃料流路と水素タンク16とを接続するための第1水素ガスライン30と、
反応器18の水素流路と第1水素ガスライン30とを接続するための第2水素ガスライン40と、
燃料電池12の冷媒流路(A)と冷却装置20の冷媒流路(B)とを接続するための第1熱交換ライン50と、
反応器18の冷媒流路(C)を第1熱交換ライン50に対して並列に接続するための第2熱交換ライン60と
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Fuel cell system]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, the
A
A
A
A cooling
A first
A second
A first
And a second
[1.1. 燃料電池]
本発明において、燃料電池12は水素を燃料とするものであれば良く、燃料電池12の種類は特に限定されない。特に、固体高分子型燃料電池は、最大排熱温度(Tmax)が他の燃料電池に比べて低く、外界温度との温度差ΔTが相対的に小さい。そのため、効率よく冷却するためには、相対的に大型の冷却装置20が必要となる。これに対し、固体高分子型燃料電池に対して本発明を適用すると、冷却装置20を小型化することができる。
[1.1. Fuel cell]
In the present invention, the
燃料電池12の内部には、燃料を流すための燃料流路、酸化剤ガスを流すための酸化剤流路、及び冷媒を流すための冷媒流路(A)(いずれも、図示せず)が設けられている。燃料電池12の酸化剤流路には、大気を空気極に供給するためのエアコンプレッサ14が接続されている。
Inside the
[1.2. 水素タンク]
水素タンク16は、水素ガスを貯蔵するためのものである。本発明において、水素タンク16の構造、容量等は、特に限定されない。水素タンク16中の水素ガスは、燃料電池12に供給される場合と、反応器18に供給される場合とがある。この点は、後述する。
[1.2. Hydrogen tank]
The
[1.3. 反応器]
反応器18は、水素貯蔵材料を内封するためのものである。反応器18は、水素貯蔵材料の収容スペースと、冷媒を流すための冷媒流路(C)と、水素を流すための水素流路と(いずれも図示せず)を備えている。反応器18の構造は、水素の吸蔵/放出、及び冷媒との熱交換が可能な限りにおいて、特に限定されない。反応器18及び水素貯蔵材料の詳細については、後述する。
[1.3. Reactor]
The
[1.4. 冷却装置]
冷却装置20は、燃料電池12からの排熱を外界に放出するためのものである。本発明において、冷却装置20は、燃料電池12の温度に応じて、冷媒の循環経路を切り替え可能な第1熱交換ライン50及び第2熱交換ライン60を介して、燃料電池12及び反応器18に接続されている。そのため、単に燃料電池12と冷却装置20との間で冷媒を循環させる場合に比べて、冷却装置20を小型化することができる。
冷媒の組成は、特に限定されない。
[1.4. Cooling system]
The
The composition of the refrigerant is not particularly limited.
[1.5. 第1水素ガスライン]
第1水素ガスライン30は、燃料電池12の燃料流路と水素タンク16とを接続するためのものである。第1水素ガスライン30は、燃料電池12から水素タンク16に向かって水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、第1水素ガスライン30をn個(n≧2)の圧力領域(第k圧力領域の圧力:Pk<第(k+1)圧力領域の圧力:Pk+1)に分割するための合計(n−1)個の第k減圧手段(1≦k≦n−1)を備えている。第1水素ガスラインの構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
[1.5. First hydrogen gas line]
The first
[1.5.1. 分割数(n)]
第1水素ガスライン30の分割数(n)は、2以上であれば良い。図1に示す例において、第1水素ガスライン30は、第1主ガス管32と、第1減圧手段34aと、第2減圧手段34bとを備えている。すなわち、第1水素ガスライン30は、燃料電池12から水素タンク16に向かって、第1圧力領域32a(圧力:P1)、第2圧力領域32b(圧力:P2>P1)、及び第3圧力領域32c(圧力:P3>P2)の合計3個の圧力領域に分割されている。
[1.5.1. Number of divisions (n)]
The division number (n) of the first
第1主ガス管32は、燃料電池12の燃料流路(図示せず)と水素タンク16とを連結するためのものである。第1減圧手段34aは、圧力をP2からP1に減圧すると同時に、水素タンク16から燃料電池12への水素ガスの供給及び停止を行うためのものである。減圧機能及び開閉機能を備えた減圧手段としては、例えば、インジェクタなどがある。
第2減圧手段34bは、圧力をP3からP2に減圧するためのものである。第2減圧手段34bは、減圧機能を備えているものであれば良く、開閉機能は必ずしも必要ではない。減圧機能のみを備えた減圧手段としては、例えば、減圧弁などがある。
The first
The second
[1.5.2. 圧力領域の圧力]
第1圧力領域32aは、燃料電池12の燃料流路に直接、接続される。第1圧力領域32aの圧力P1が低すぎると、燃料電池12に向かって水素を流すことができない。従って、P1は、0.1MPa以上が好ましい。P1は、好ましくは、0.11MPa以上、さらに好ましくは、0.13MPa以上である。
一方、P1が高くなりすぎると、燃料電池12が破損するおそれがある。従って、P1は、0.3MPa以下が好ましい。P1は、好ましくは、0.28MPa以下、さらに好ましくは、0.25MPa以下である。
[1.5.2. Pressure in the pressure area]
The
On the other hand, if P 1 becomes too high, the
第k圧力領域(2≦k≦n)のいずれか1つ(図1に示す例では、第2圧力領域32b)は、後述する第2水素ガスライン40を介して、反応器18の水素流路に接続される。反応器18に接続される第k圧力領域(2≦k≦n)の圧力Pkが低すぎると、水素貯蔵材料に水素を吸蔵させることが困難となる。従って、Pkは、0.3MPa以上が好ましい。Pkは、好ましくは、0.6MPa以上、さらに好ましくは、0.9MPa以上である。
一方、Pkが高くなりすぎると、反応器18が破損するおそれがある。従って、Pkは、2.0MPa以下が好ましい。Pkは、好ましくは、1.7MPa以下、さらに好ましくは、1.5MPa以下である。
Any one of the kth pressure regions (2 ≦ k ≦ n) (in the example shown in FIG. 1, the
On the other hand, if P k becomes too high, the
第1水素ガスライン30が3個以上の圧力領域に分割されている場合において、P1、及びPk以外の圧力Pj(j≠1、k)は、Pj<Pj+1の条件を満たす限りにおいて、特に限定されない。
When the first
[1.6. 第2水素ガスライン]
第2水素ガスライン40は、反応器18の水素流路と第1水素ガスライン30とを接続するためのものである。第2水素ガスライン40は、水素吸蔵時には水素タンク16から反応器18に水素ガスを供給し、水素放出時には反応器18から燃料電池12の燃料流路に水素ガスを供給するために用いられる。そのため、第2水素ガスライン40は、反応器18の水素流路を第1圧力領域32a若しくは第k圧力領域(2≦k≦n)32kのいずれか一方に切り替えて接続し、又は、第1水素ガスライン30との接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。水素ガス切替手段の構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて,特に限定されない。
[1.6. Second hydrogen gas line]
The second
図1に示す例において、第2水素ガスライン40は、第2主ガス管42と、第1分岐管44aと、第2分岐管44bと、第1開閉バルブ46aと、第2開閉バルブ46bとを備えている。第2主ガス管42の一端は、反応器18の水素流路に接続され、他端は、第1分岐管44aの一端及び第2分岐管44bの一端に接続されている。
In the example shown in FIG. 1, the second
第1分岐管44aの他端は、第1主ガス管32の第2圧力領域32bに接続されている。また、第1分岐管44aには、第1開閉バルブ46aが設けられている。
第2分岐管44bの他端は、第1主ガス管32の第1圧力領域32aに接続されている。また、第2分岐管44bには、第2開閉バルブ46bが設けられている。
図1に示す例において、第1分岐管44a、第2分岐管44b、第1開閉バルブ46a、及び第2開閉バルブ46bが、反応器18を第1圧力領域32a若しくは第2圧力領域32bのいずれか一方に切り替えて接続し、又は、第1水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を構成する。
The other end of the
The other end of the
In the example shown in FIG. 1, the
[1.7. 第1熱交換ライン]
第1熱交換ライン50は、燃料電池12の冷媒流路(A)と冷却装置20の冷媒流路(B)とを接続し、燃料電池12と冷却装置20との間で冷媒を循環させるためものである。さらに、本発明においては、エネルギー効率を高めるために、第1熱交換ライン50は、バイパス熱交換ラインを備えている。バイパス熱交換ラインは、燃料電池12の冷媒流路(A)から排出された冷媒を、そのまま燃料電池12の冷媒流路(A)に戻すためのものである。すなわち、冷媒は、燃料電池12と冷却装置20の間を循環する場合と、燃料電池12とバイパス熱交換ラインとの間を循環する場合とがある。第1熱交換ラインの構成は、このような機能を奏するものである限りにおいて、特に限定されない。
[1.7. First heat exchange line]
The first
図1に示す例において、第1熱交換ライン50は、第1主水管52aと、第2主水管52bと、第1冷媒ポンプ54と、バイパス水管56と、三方弁58とを備えている。第1主水管52aの一端は、燃料電池12の冷媒流路(A)の出口に接続され、他端は、冷却装置20の冷媒流路(B)の入口に接続されている。第2主水管52bの一端は、冷却装置20の冷媒流路(B)の出口に接続され、他端は、燃料電池12の冷媒流路(A)の入口に接続されている。
In the example shown in FIG. 1, the first
第1主水管52aの中間部分と第2主水管52bの中間部分は、バイパス水管56で連結されている。第1主水管52aとバイパス水管56の結合点には、冷媒の流れの方向を冷却装置20側又はバイパス水管56側のいずれか一方に切り替えるための三方弁58が設けられている。
さらに、第2主水管52bには、冷媒を一方向に循環させるための冷媒ポンプ54が設けられている。第1冷媒ポンプ54は、バイパス水管56と第2主水管52bとの結合点と、燃料電池12との間(すなわち、バイパス水管56よりも燃料電池12側にある第2主水管52b)に設けられている。
図1に示す例において、バイパス水管56及び三方弁58がバイパス熱交換ラインを構成する。
An intermediate part of the first
Furthermore, the second
In the example shown in FIG. 1, the
[1.8. 第2熱交換ライン]
第2熱交換ライン60は、反応器18の冷媒流路(C)を第1熱交換ライン50に対して並列に接続するためのものである。「並列に接続されている」とは、反応器18の冷媒流路(C)の一端が第1主水管52aに接続され、他端が第2主水管52bに接続されていることをいう。
さらに、第2熱交換ライン60は、冷媒が燃料電池12−冷却装置20間、又は燃料電池12−バイパス熱交換ライン間を循環する時に、冷媒の一部を反応器18の冷媒流路(C)に流すための流量調節手段を備えている。第2熱交換ラインの構成は、このような機能を奏する限りにおいて、特に限定されない。
[1.8. Second heat exchange line]
The second
Furthermore, when the refrigerant circulates between the
図1に示す例において、第2熱交換ライン60は、第1分岐水管62aと、第2分岐水管62bと、第2冷媒ポンプ64とを備えている。第1分岐水管62aの一端は、反応器18の冷媒流路(C)の出口に接続され、他端は、第2主水管52bに接続されている。第1分岐水管62aは、第2主水管52bとバイパス水管56の結合点と、第1冷媒ポンプ54との間に接続されている。
第2分岐水管62bの一端は、第1主水管52aに接続され、他端は、反応器18の冷媒流路(C)の入口に接続されている。第2分岐水管62bは、燃料電池12と三方弁58との間に接続されている。さらに、第2分岐水管62bには、冷媒を反応器18に分配するための第2冷媒ポンプ64(流量調節手段)が設けられている。
In the example shown in FIG. 1, the second
One end of the second
なお、第2冷媒ポンプ64は、第1分岐水管62aに設置しても良い。また、第2冷媒ポンプ64に代えて、又は、これに加えて、第1分岐水管62a及び/又は第2分岐水管62bに流量調節バルブ(流量調節手段)を設置しても良い。さらに、第1分岐水管62aを第1主水管52aに接続し、第2分岐水管62bを第2主水管52bに接続しても良い。
The second
[2. 反応器]
[2.1. 反応器の構造]
図2に、反応器18の一例を示す。図2において、反応器18は、筐体18aと、筐体18aの外周及び内部に設けられた冷媒流路(C)18bとを備えている。冷媒流路(C)18bは、内部が空洞になっており、内部に冷媒を流せるようになっている。筐体18aの上面には、冷媒の入口18cと冷媒の出口18dが設けられている。各冷媒流路(C)18bは、それぞれ冷媒の入口18c及び冷媒の出口18dと連結している。そのため、冷媒の入口18cから供給された冷媒は、冷却流路(C)18bを通って、冷媒の出口18dから排出される。
[2. Reactor]
[2.1. Reactor structure]
An example of the
また、冷媒流路(C)18bは、筐体18aの外壁及び隔壁を兼ねている。各冷媒流路(C)18bの間にある空間は、水素ガスを流すための水素流路18eであり、空間内には水素貯蔵材料22が充填されている。水素貯蔵材料22の詳細については、後述する。
The refrigerant flow path (C) 18b also serves as an outer wall and a partition wall of the
冷媒流路(C)18bは、その内部を流れる冷媒と、水素貯蔵材料22との間で熱交換を行うためのものである。そのため、冷媒流路(C)18bは、冷媒−水素貯蔵材料22との間の熱交換を促進するための伝熱フィンを備えていても良い。
例えば、冷媒流路(C)18bの内面には、冷媒と冷媒流路(C)18bとの間の熱交換を促進させるための伝熱フィン(A)(図示せず)が設けられていても良い。
あるいは、冷媒流路(C)18bの外面(すなわち、水素貯蔵材料22の充填部)には、冷媒流路(C)18bと水素貯蔵材料22との間の熱交換を促進するための伝熱フィン(B)(図示せず)が設けられていても良い。
The refrigerant channel (C) 18b is for exchanging heat between the refrigerant flowing through the refrigerant channel (C) 18b and the
For example, heat transfer fins (A) (not shown) are provided on the inner surface of the refrigerant flow path (C) 18b to promote heat exchange between the refrigerant and the refrigerant flow path (C) 18b. Also good.
Alternatively, heat transfer for promoting heat exchange between the refrigerant flow path (C) 18b and the
[2.2. 水素貯蔵材料の組成]
反応器18には、水素貯蔵材料22が内封されている。本発明において、水素貯蔵材料22の組成は、水素ガスの吸蔵及び放出が可能な限りにおいて、特に限定されない。
後述するように、水素タンク16から燃料電池12に水素ガスを供給するための第1水素ガスライン30は、減圧手段を用いて、圧力の異なる複数個の圧力領域に分割される。一方、燃料電池12は、その種類に応じて、最大排熱温度(Tmax)が異なる。燃料電池12の排熱のみを用いて水素を放出させるためには、水素貯蔵材料22は、燃料電池12の最大排熱温度(Tmax)における平衡水素圧力が所定の条件を満たしているのが好ましい。この点については、後述する。
[2.2. Composition of hydrogen storage material]
A
As will be described later, the first
水素貯蔵材料22は、水素の吸蔵時に発熱し、水素の放出時に吸熱する。そのため、効率よく水素の吸蔵及び放出を行うためには、水素貯蔵材料22は、熱伝導率が高いものが好ましい。しかし、水素貯蔵材料22は、一般に、熱伝導率が低いものが多い。このような場合には、水素貯蔵材料22に熱伝導助剤を添加するのが好ましい。熱伝導助剤としては、例えば、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、グラファイト、窒化アルミニウム、炭化ケイ素などがある。
The
[2.3. 水素貯蔵材料の平衡圧力]
燃料電池12の温度が過度に上昇した時は、第2水素ガスライン40を介して、反応器18から燃料電池12に水素が供給される。燃料電池12の排熱のみを用いて反応器18から水素を放出させるためには、水素貯蔵材料は、燃料電池12の最大排熱温度(Tmax)における平衡水素圧力がP1より大きいものが好ましい。
[2.3. Equilibrium pressure of hydrogen storage material]
When the temperature of the
一方、燃料電池12の始動時には、第2水素ガスライン40を介して、水素タンク16から反応器18に水素が供給される。第1水素ガスライン30と反応器18の圧力差のみによって、水素貯蔵材料に水素ガスを吸蔵させるためには、水素貯蔵材料は、燃料電池12の最大排熱温度(Tmax)における平衡水素圧力が、反応器18に接続される第k圧力領域(2≦k≦n)の圧力Pk未満であるものが好ましい。
On the other hand, when the
[3. 燃料電池システムの運転方法]
以下に、冷媒の循環経路に対して並列に反応器18が接続されている燃料電池システム10の運転方法の具体例について説明する。なお、以下の説明では、反応器18に内封される水素貯蔵材料には、以下の平衡特性を持つ水素吸蔵合金を用いた。
水素圧力0.1MPaの平衡温度: 10℃
水素圧力2.0MPaの平衡温度: 90℃
[3. Operation method of fuel cell system]
Hereinafter, a specific example of the operation method of the
Equilibrium temperature of hydrogen pressure 0.1 MPa: 10 ° C
Equilibrium temperature of hydrogen pressure 2.0MPa: 90 ° C
水素タンク16には、最大圧力(P3)が70MPaであるものを用いた。また、減圧弁(第2減圧手段34b)を用いて第2圧力領域32bの圧力(P2)を2MPaに減圧し、さらにインジェクタ(第1減圧手段34a)を用いて第1圧力領域32aの圧力(P1)を0.1MPaに減圧した。
さらに、燃料電池12の最大排熱温度(Tmax)は、90℃とした。また、冷却装置20にはラジエタを用い、外気との熱交換により冷媒を冷却した。
A
Further, the maximum exhaust heat temperature (T max ) of the
[3.1. 暖機運転]
図3に、暖機運転を行う場合の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。まず、始動時には、第1減圧手段34a、及び第2減圧手段34bをともに開とし、エアコンプレッサ14を作動させる。これにより、燃料電池12の燃料極に水素ガスが供給され、空気極に空気が供給され、燃料電池12による発電が開始される。
これと同時に、第1開閉バルブ46aを開とし、第2開閉バルブ46bを閉とすると、反応器18には、第2圧力領域32b(水素圧:2MPa)から水素ガスが供給される。反応器18内では、水素貯蔵材料が水素を吸蔵し、発熱する(90℃)。
[3.1. Warm-up operation]
FIG. 3 is a schematic diagram of a hydrogen gas line and a heat exchange line when performing warm-up operation. First, at the time of starting, both the first
At the same time, when the first opening /
さらに、三方弁58をバイパス水管56側に切り替え、第1冷媒ポンプ54及び第2冷媒ポンプ64を作動させる。これにより、冷媒が燃料電池12−バイパス水管56間を循環する。また、燃料電池12から排出された冷媒の一部は、反応器18に分配され、温度が上昇する。温度が上昇した冷媒は、第2主水管52bを経由して燃料電池12に戻る。その結果、冷却装置20による損失を生じさせることなく、燃料電池12(5℃)の暖機を行うことができる。
Further, the three-
例えば、燃料電池12の始動と同時に冷却装置20による循環冷却を開始すると、冷却装置20による熱損失が大きい。そのため、始動時において、燃料電池12の温度が低い場合には、暖機運転に長時間を要する。これに対し、燃料電池12に加えて反応器18にも水素を流し、冷媒の循環経路をバイパス熱交換ラインに切り替えると、冷却装置20による損失を生じさせることなく、反応器18からの反応熱によって燃料電池12の温度を速やかに上昇させることができる。
For example, when the circulating cooling by the cooling
[3.2. 定常運転]
燃料電池12の定常運転時には、通常、反応器18からの発熱/吸熱を必要としない。そのため、燃料電池12の温度が十分に上昇した時は、第1開閉バルブ46a、及び第2開閉バルブ46bを共に閉とし、反応器18への水素ガスの供給を停止させる。また、三方弁58を冷却装置20側に切り替え、第2冷媒ポンプ64を停止させる。これにより、冷媒は、燃料電池12と冷却装置20との間を循環し、反応器18は動作を停止する。
[3.2. Steady operation]
During steady operation of the
[3.3. 燃料電池の冷却]
図4に、反応器を用いて燃料電池の冷却を行う場合の水素ガスライン及び熱交換ラインの模式図を示す。燃料電池12が定常運転状態に移行した後、燃料電池12の温度が過度に上昇した時は、三方弁58を冷却装置20側にしたまま、第2冷媒ポンプ64を作動させる。また、これと同時に、第1減圧手段34a、第2減圧手段34b、及び第1開閉バルブ46aをいずれも閉とし、第2開閉バルブ46bを開とする。
[3.3. Fuel cell cooling]
FIG. 4 is a schematic diagram of a hydrogen gas line and a heat exchange line when the fuel cell is cooled using a reactor. When the temperature of the
第2冷媒ポンプ64を作動させると、冷媒の一部が反応器18に分配され、冷却装置20に流れる冷媒の流量が減少する。そのため、冷却装置20が小型であっても、冷媒を十分に冷却することができる。また、燃料電池12から冷却装置20に流入する冷媒と外界との温度差ΔTは相対的に大きいままであるため、冷却効率が低下することもない。
When the second
一方、反応器18に冷媒を分配すると同時に、第2開閉バルブ46bを開にすると、反応器18から燃料電池に水素ガス(圧力:0.1MPa)が放出される。また、水素貯蔵材料の水素放出反応(吸熱反応)により、冷媒の温度が低下する(10℃)。反応器18で冷却された冷媒は、第2主水管52bに流入し、冷却装置20で冷却された冷媒と合流する。すなわち、燃料電池12(90℃)は、冷却装置20及び反応器18のそれぞれで冷却された冷媒により冷却される。
なお、図4では、反応器18のみから燃料電池12に水素ガスが供給されているが、冷却時に、反応器18及び水素タンク18の双方から水素ガスを供給しても良い。
On the other hand, when the refrigerant is distributed to the
In FIG. 4, hydrogen gas is supplied from only the
[4. 作用]
本発明に係る燃料電池システム10は、燃料源として、水素ガスを貯蔵した水素タンク16と、水素貯蔵材料を内封した反応器18の双方を備えている。そのため、始動時に水素タンク16から反応器18に水素を供給すると、水素貯蔵材料が水素ガスを吸蔵し、発熱する。この時、熱交換ラインを燃料電池12−バイパス熱交換ライン間の循環冷却に切り替えると同時に、冷媒の一部を反応器18に分配すると、冷媒が冷却装置20に熱を奪われることがなく、かつ、冷媒には水素吸蔵に伴う反応熱が加算される。その結果、外部熱源を用いることなく、燃料電池12の温度を速やかに上昇させることができる。燃料電池12が所定の温度まで上昇した後、水素ガスラインを水素タンク16から燃料電池12への供給に切り替え、かつ、熱交換ラインを燃料電池12−冷却装置20間の循環冷却に切り替える。
[4. Action]
The
一方、燃料電池12が定常運転状態に入った後、燃料電池12の温度が過度に上昇した時には、熱交換ラインを燃料電池12−冷却装置20間の循環冷却に維持したまま、冷媒の一部を反応器18に分配する。また、これと同時に、水素ガスラインを反応器18から燃料電池12への供給ラインに切り替える。その結果、水素貯蔵材料が冷媒の熱を吸収し、水素ガスを放出する。また、水素放出反応(吸熱反応)により、冷媒が冷却される。その結果、小型の冷却装置20を用いた場合であっても、燃料電池12を冷却することができる。
On the other hand, when the temperature of the
さらに、本発明に係る燃料電池システム10は、以下のような効果が得られる。
(1)燃料電池12の排熱処理を小型の冷却装置20で実現できるので、システムの形状自由度が向上する。
(2)燃料電池12の排熱を反応器18で蓄熱することで、燃料電池12の暖機・冷却に加え、空調が可能になる。また、これによって、システムのエネルギー効率が向上する。
Furthermore, the
(1) Since the exhaust heat treatment of the
(2) By storing the exhaust heat of the
(3)第1水素ガスライン30を3個以上の圧力領域に分割した時には、反応器18を低圧領域及び中圧領域に接続することができる。そのため、反応器18や水素ガスライン系に過度の耐圧が不要となる。また、これによって、反応器18や水素ガスライン系の機器を小型・低コスト化できる。
(4)水素タンク16から燃料電池12までの差圧を利用して水素の吸蔵・放出を行い、かつ、冷却装置20と燃料電池12の熱交換ラインを利用して水素の吸蔵・放出に伴う反応熱の放出・吸収を行っているので、反応器18を設置することに伴うバルブの追加を最小化することができる。
(3) When the first
(4) Occlusion / release of hydrogen is performed using the differential pressure from the
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明に係る燃料電池システムは、定置型の発電システム、移動体のエネルギー源等に使用することができる。 The fuel cell system according to the present invention can be used for a stationary power generation system, an energy source of a moving body, and the like.
10 燃料電池システム
12 燃料電池
16 水素タンク
18 反応器
20 冷却装置
30 第1水素ガスライン
40 第2水素ガスライン
50 第1熱交換ライン
60 第2熱交換ライン
DESCRIPTION OF
Claims (10)
(1)前記燃料電池システムは、
水素ガスを燃料とする燃料電池と、
前記水素ガスを貯蔵するための水素タンクと、
前記燃料電池に供給するための前記水素ガスを放出し、又は、前記水素タンクから供給される前記水素ガスを貯蔵するための水素貯蔵材料が内封された反応器と、
前記燃料電池との間で冷媒を循環させることによって、前記燃料電池と熱交換を行うための冷却装置と、
前記燃料電池の燃料流路と前記水素タンクとを接続するための第1水素ガスラインと、
前記反応器の水素流路と前記第1水素ガスラインとを接続するための第2水素ガスラインと、
前記燃料電池の冷媒流路(A)と前記冷却装置の冷媒流路(B)とを接続するための第1熱交換ラインと、
前記反応器の冷媒流路(C)を前記第1熱交換ラインに対して並列に接続するための第2熱交換ラインと
を備えている。
(2)前記第1水素ガスラインは、前記燃料電池から前記水素タンクに向かって前記水素ガスの圧力が段階的に高くなるように、前記第1水素ガスラインをn個(n≧2)の圧力領域(第k圧力領域の圧力:Pk<第(k+1)圧力領域の圧力:Pk+1)に分割するための第k減圧手段(1≦k≦n−1)を備えている。
(3)前記第2水素ガスラインは、前記反応器の前記水素流路を前記第1圧力領域若しくは前記第k圧力領域(2≦k≦n)のいずれか一方に切り替えて接続し、又は、前記第1水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている。
(4)前記第1熱交換ラインは、前記燃料電池の前記冷媒流路(A)から排出された前記冷媒を、そのまま前記燃料電池の前記冷媒流路(A)に戻すためのバイパス熱交換ラインを備えている。
(5)前記第2熱交換ラインは、前記冷媒が前記燃料電池−前記冷却装置間、又は前記燃料電池−前記バイパス熱交換ライン間を循環する時に、前記冷媒の一部を前記反応器の冷媒流路(C)に流すための流量調節手段を備えている。 A fuel cell system having the following configuration.
(1) The fuel cell system includes:
A fuel cell using hydrogen gas as fuel;
A hydrogen tank for storing the hydrogen gas;
A reactor in which a hydrogen storage material for discharging the hydrogen gas to be supplied to the fuel cell or storing the hydrogen gas supplied from the hydrogen tank is enclosed;
A cooling device for exchanging heat with the fuel cell by circulating a refrigerant with the fuel cell;
A first hydrogen gas line for connecting a fuel flow path of the fuel cell and the hydrogen tank;
A second hydrogen gas line for connecting the hydrogen flow path of the reactor and the first hydrogen gas line;
A first heat exchange line for connecting the refrigerant flow path (A) of the fuel cell and the refrigerant flow path (B) of the cooling device;
And a second heat exchange line for connecting the refrigerant flow path (C) of the reactor in parallel to the first heat exchange line.
(2) The first hydrogen gas lines include n (n ≧ 2) first hydrogen gas lines so that the pressure of the hydrogen gas gradually increases from the fuel cell toward the hydrogen tank. K-th pressure reducing means (1 ≦ k ≦ n−1) for dividing the pressure region (pressure in the kth pressure region: P k <pressure in the (k + 1) th pressure region: P k + 1) is provided.
(3) The second hydrogen gas line connects the hydrogen flow path of the reactor by switching to one of the first pressure region or the kth pressure region (2 ≦ k ≦ n), or Hydrogen gas switching means for cutting off the connection with the first hydrogen gas line is provided.
(4) The first heat exchange line is a bypass heat exchange line for returning the refrigerant discharged from the refrigerant flow path (A) of the fuel cell to the refrigerant flow path (A) of the fuel cell as it is. It has.
(5) In the second heat exchange line, when the refrigerant circulates between the fuel cell and the cooling device or between the fuel cell and the bypass heat exchange line, a part of the refrigerant is used as the refrigerant of the reactor. A flow rate adjusting means for flowing through the flow path (C) is provided.
前記第2水素ガスラインは、前記反応器を前記第1圧力領域(圧力:P1)若しくは前記第2圧力領域(圧力:P2)のいずれか一方に切り替えて接続し、又は、前記第1水素ガスラインとの接続を遮断するための水素ガス切替手段を備えている
請求項1に記載の燃料電池システム。 The first hydrogen gas line includes a first decompression unit and a second decompression unit for dividing the first hydrogen gas line into three pressure regions (P 1 <P 2 <P 3 ),
The second hydrogen gas line is configured to switch the reactor to either the first pressure region (pressure: P 1 ) or the second pressure region (pressure: P 2 ), or to connect the first hydrogen gas line. The fuel cell system according to claim 1, further comprising hydrogen gas switching means for cutting off the connection with the hydrogen gas line.
前記流量調節手段は、前記第1分岐水管又は前記第2分岐水管に設けられている
請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 The second heat exchange line includes a first branch water pipe and a second branch water pipe connected to the inlet side and the outlet side of the refrigerant flow path (C) of the reactor,
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow rate adjusting means is provided in the first branch water pipe or the second branch water pipe.
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