JP2020087631A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】新たな循環液の補給が行えない環境下でも、システムの運転を継続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１と、燃料電池１を冷却する熱媒体を流す流路である熱媒体ライン２と、熱媒体を駆動する熱媒体駆動手段３と、熱媒体ライン２に設けられた熱交換器４と、熱交換器４を介して熱媒体を冷却する循環液を流す流路である循環液ライン５と、循環液ライン５を駆動する循環液駆動手段６と、循環液の熱を排出する熱排出手段７と、循環液ライン５に設けられ、循環液ライン５の気を抜く気抜き弁８と、内部に循環液が大気開放されて収容され、循環液ライン５の循環液の熱膨張を吸収するタンク９と、気抜き弁８の排出先とタンク９とを接続する気抜き流路１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムは、燃料電池の発電時の発熱を冷却水によって冷却する。そして、この冷却水を、熱交換器を介して循環液によって冷却していた。この循環液が流れる流路には、ポンプが設けられており、このポンプによって循環液が流路内を駆動する。

循環液としては水道水が用いられており、水道水には小さな気泡が含まれている。上記のポンプは、空気が入ると循環液を押し出せなくなる場合があり、システムの稼働ができなくなる。そのため、従来の燃料電池システムでは、循環液の流路から気抜き弁を通じて空気を抜く気抜き操作が行われていた。

この気抜き操作は、初期の水張り後や運転開始毎に、循環液の流路に接続されている気抜き弁からシステム外へ、空気と共に一部の循環液を排出することにより行う。排出して減少した循環液は、水道水等から減少した分を補給する。

特開２０１５−４６３２７号公報

上記のような従来の燃料電池システムの気抜き操作は、流路に新たな循環液が常に外部から補給可能である環境下では問題ない。しかし、新たな循環液が循環液の流路に補給できない環境下では、気抜き操作でシステム外へ気とともに一部の循環液が排出されると、循環液が不足して燃料電池システムが停止するという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、新たな循環液の補給が行えない環境下でも、システムの運転を継続することができる燃料電池システムを提供することである。

本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する熱媒体を流す流路である熱媒体ラインと、前記熱媒体を駆動する熱媒体駆動手段と、前記熱媒体ラインに設けられた熱交換器と、前記熱交換器を介して前記熱媒体を冷却する循環液を流す流路である循環液ラインと、前記循環液ラインを駆動する循環液駆動手段と、前記循環液の熱を排出する熱排出手段と、前記循環液ラインに設けられ、前記循環液ラインの気を抜く気抜き弁と、内部に前記循環液が大気開放されて収容され、前記循環液ラインの前記循環液の熱膨張を吸収するタンクと、前記気抜き弁の排出先と前記タンクとを接続する気抜き流路と、を備えたこと、を特徴とする。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。

［１．第１の実施形態］
（構成）
図１を参照しつつ、本実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。なお、図１の下側を重力方向とする。

図１に示すように、本燃料電池システムは、燃料電池１、熱媒体ライン２、熱媒体駆動手段３、熱交換器４、循環液ライン５、循環液駆動手段６、熱排出手段７、気抜き弁８、タンク９、及び気抜き流路１０を備える。

燃料電池１は、水素含有ガスと酸素含有ガスを利用して発電する。燃料電池１は、発電時に発熱する。燃料電池１としては公知のものを用いることができる。

熱媒体ライン２は、燃料電池１を冷却する熱媒体を流す流路である。熱媒体ライン２は、配管で構成され、燃料電池１と熱交換器４を貫通して閉流路を形成する。熱媒体としては、例えば水を用いることができる。

熱媒体駆動手段３は、熱媒体ライン２に設けられており、熱媒体ライン２の熱媒体を駆動させる装置又は機器である。熱媒体駆動手段３としては、ポンプを用いることができる。

熱交換器４は、熱媒体ライン２に設けられている。ここでは、熱交換器４は、熱媒体ライン２と循環液ライン５に跨がって設けられており、内部に熱媒体ライン２と循環液ライン５が接する部分を有する。そのため、熱交換器４は、熱媒体ライン２の熱媒体の熱を後述する循環液ライン５の循環液に伝達する。熱交換器４としては、例えば、プレート熱交換器を用いることができる。

循環液ライン５は、熱媒体を冷却する循環液を流す流路である。循環液ライン５は、配管で構成され、熱交換器４と熱排出手段７を貫通して閉流路を有する。循環液としては、熱伝達する液体であれば良く、例えば水、不凍液を用いることができる。不凍液としては、例えばエチレングリコール液が挙げられる。循環液には、気泡が含まれていても良い。

循環液駆動手段６は、循環液ライン５に設けられており、循環液ライン５の循環液を駆動させる装置又は機器である。循環液駆動手段６としては、ポンプを用いることができる。また、循環液駆動手段６は、気抜き弁８が開弁しているとき、気抜き弁８から気抜き流路１０を駆動する気を含む循環液の駆動源となる。

熱排出手段７は、循環液ライン５に設けられており、循環液ライン５の循環液の熱をシステム外に排出する。ここでは、熱排出手段７は、熱交換器４と循環液駆動手段６との間に配置されている。すなわち、熱排出手段７は、熱交換器４の下流側かつ循環液駆動手段６の上流側に設けられている。これにより、循環液駆動手段６の加熱を防止できる。熱排出手段７としては、ラジエータ、熱交換器を用いることができる。熱排出手段７がラジエータである場合は、循環液の熱がシステム外に放熱される。また、本燃料電池システムが船舶に搭載される場合、熱排出手段７を熱交換器とし、循環液の熱を海水に伝達することで排熱する。また、本燃料電池システムが車両又は航空機に搭載される場合、熱排出手段７を熱交換器とし、循環液の熱を空気に伝達することで排熱する。また、本燃料電池システムが家庭用燃料電池コジェネレーションシステムの貯湯タンクと連携される場合、熱排出手段７は熱交換器であり、循環液の熱を水又は低温の温水に伝達することでより高温の温水にして排熱する。この温水は、風呂やシャワー等に使用することができる。

気抜き弁８は、循環液ライン５に設けられ、循環液ライン５の気を抜く。気とは空気である。循環液ライン５の気を抜くのは、循環液駆動手段６に空気が入ると循環液駆動手段６が空回りして循環液を押し出せなくなり、システムが稼働しなくなる事態を防止するためである。また、循環液駆動手段６に循環液が入らないことで循環液による循環液駆動手段６が冷却されなくなり、過熱による破壊を防止するためである。

気抜き弁８は、循環ライン５から分岐した枝管５１に設けられている。気抜き弁８は、所定時間毎に開弁し、循環液ライン５の気を、枝管５１を介して循環ライン５から抜く。また、気抜き弁８は、所定の分量の空気が溜まったら開弁して循環ライン５から気抜きするようにしても良い。気抜き弁８としては、例えば電磁弁を用いることができる。

タンク９は、内部に循環液が大気開放されて収容された容器である。このタンク９は、内部が調整流路５２を介して循環液ライン５と繋がっており、循環液ライン５の循環液の熱膨張を吸収し、循環液ライン５の循環液の液量を調整する。このタンク９は、循環液ライン５の最も高い位置よりも高い位置に設けられている。循環液ライン５の循環液が熱膨張すると、循環液ライン５内の循環液の体積が増えるため、増えた分の循環液が調整流路５２を介してタンク９に流れ込む。一方、循環水ライン５の循環液の体積が減少するよう熱収縮すると、タンク９内の循環液の自重により、タンク９内から調整流路５２を介して循環液ライン５へ循環液が補充される。言い換えると、調整流路５２は、循環液で常に満たされている。この調整流路５２は、一端がタンク９内に繋がっており、他端が熱排出手段７と循環液駆動手段６との間の循環液ライン５に繋がっている。本燃料電池システムの初期では、タンク９から循環液を投入し循環液ライン５を満たす。調整流路５２の他端を循環液駆動手段６の上流に繋げることで、循環液駆動手段６を動作させて迅速に循環液ライン５を循環液で満たすことができる。

気抜き流路１０は、気抜き弁８とタンク９とを接続し、循環液ライン５の気をタンク９に送る流路である。循環液ライン５の気は、循環液ライン５の一部の循環液とともに気抜き流路１０を通じてタンク９に送られる。すなわち、この気抜き流路１０は配管で構成されており、一端が気抜き弁８の排出側と接続され、他端がタンク９の内部の循環液の液面よりも高い位置に設けられている。この他端の高さは、循環液ライン５の循環液の熱膨張及び、気抜き弁８及び気抜き流路１０を介してのタンク９への循環液の還元量により、タンク９内の循環液の最高位となる液面よりも高い位置にすると良い。なお、気抜き流路１０内の気を含む循環液の駆動源は、循環液駆動手段６である。

（作用）
図１を用いて、本実施形態の燃料電池システムの作用を説明する。

まず、燃料電池１は発電時に発熱するため、熱媒体駆動手段３により熱媒体ライン２の熱媒体が燃料電池１に流れ込んで、燃料電池１を冷却する。高温になった熱媒体は熱媒体駆動手段３により熱媒体ライン２を流れて熱交換器４に供給される。この熱交換器４により、循環液が熱媒体を冷却する。

高温となった循環液は、循環液駆動手段６により熱排出手段７に供給され、熱排出手段７で循環液の熱がシステム外に排出される。排熱された循環液は、循環液駆動手段６により、循環液ライン５を通じて熱交換器４に戻される。その一方で、循環液ライン５の気は、循環液ライン５を構成する配管内の上方を移動するため、枝管５１に移動し、気抜き弁８が所定時間毎に開弁することで循環液ライン５を脱し、気抜き流路１０を介してタンク９の内部に移動する。タンク９は大気開放されているので、気は大気に放たれる。

なお、循環液ライン５の気は循環液とともに気抜き弁８及び気抜き流路１０を介してタンク９に移動しても良い。この循環液はタンク９内の循環液に合流し、調整流路５２を介して循環液ライン５に還元される。すなわち、循環液はシステム外に排出しない。

（効果）
（１）本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１を冷却する熱媒体を流す流路である熱媒体ライン２と、熱媒体を駆動する熱媒体駆動手段３と、熱媒体ライン２に設けられた熱交換器４と、熱交換器４を介して熱媒体を冷却する循環液を流す流路である循環液ライン５と、循環液ライン５を駆動する循環液駆動手段６と、循環液の熱を排出する熱排出手段７と、循環液ライン５に設けられ、循環液ライン５の気を抜く気抜き弁８と、内部に循環液が大気開放されて収容され、循環液ライン５の循環液の熱膨張を吸収するタンク９と、気抜き弁８の排出先とタンク９とを接続する気抜き流路１０と、を備えるようにした。

これにより、気抜きされた循環液はタンク９を介して循環液ライン５に還元されるので、新たな循環液の補給が行えない環境下でも、システムの運転を継続することができる。そのため、本実施形態の燃料電池システムが船舶、車両又は航空機などの移動体に設けられても、新たな循環液の補給をせずとも、システムの運転を継続することができる。

（２）タンク９は、循環液ライン５の最も高い位置よりも高い位置に設けるようにした。これにより、循環液の熱膨張力や自重によって循環液ライン５内の液量を調整することができる。そのため、循環液ライン５の循環液の液量を調整する動力源となる装置が不要となるので、部品点数が削減できる。その結果、動力源の修理等の手間も削減することができる。

（３）気抜き流路１０は、一端が気抜き弁８の排出側と接続され、他端がタンク９の内部の循環液の液面よりも高い位置に設けるようにした。これにより、気抜き流路１０及び気抜き弁８を介して循環液ライン５にタンク９内の循環液が逆流することを防止することができる。

［２．第２の実施形態］
第２の実施形態を、図２を用いて説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態の基本構成と同じである。以下では、第１の実施形態と異なる点のみを説明し、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図２は、第２の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。図２に示すように、循環液ライン５は、循環液ライン５の上部に位置する上部流路５３を有する。この上部流路５３は、ここでは上下逆にしたＵ字状の流路であり、ここでは２つ設けられている。

気抜き弁８は、各上部流路５３の最上部に設けられている。すなわち、気抜き弁８は、循環液ライン５の最も高い位置に設けられている。枝管５１は、上部流路５３の数、すなわち気抜き弁８の数に合わせて、循環液ライン５に設けられている。気抜き流路１０は、気抜き弁８毎に設けても良いし、図２に示すように、１つの気抜き流路１０に合流させても良い。

本実施形態では、気抜き弁８を、循環液ライン５の最も高い位置に設けた。これにより、循環液ライン５の気の回収効率を向上させることができる。すなわち、気は液中で下降することはなく上昇するため、上部流路５３の最上部に溜まりやすい。このように、循環液ライン５の気が溜まりやすい位置に気抜き弁８を設けているので、循環液ライン５の気の回収効率を向上させることができる。

［３．その他の実施形態］
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、気抜き弁８の設けられる位置や数は特に限定されない。

１ 燃料電池
２ 熱媒体ライン
３ 熱媒体駆動手段
４ 熱交換器
５ 循環液ライン
５１ 枝管
５２ 調整流路
５３ 上部流路
６ 循環液駆動手段
７ 熱排出手段
８ 気抜き弁
９ タンク
１０ 気抜き流路

Claims (5)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する熱媒体を流す流路である熱媒体ラインと、
   前記熱媒体を駆動する熱媒体駆動手段と、
   前記熱媒体ラインに設けられた熱交換器と、
   前記熱交換器を介して前記熱媒体を冷却する循環液を流す流路である循環液ラインと、
   前記循環液ラインを駆動する循環液駆動手段と、
   前記循環液の熱を排出する熱排出手段と、
   前記循環液ラインに設けられ、前記循環液ラインの気を抜く気抜き弁と、
   内部に前記循環液が大気開放されて収容され、前記循環液ラインの前記循環液の熱膨張を吸収するタンクと、
   前記気抜き弁の排出先と前記タンクとを接続する気抜き流路と、
   を備えたこと、
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記タンクは、前記循環液ラインの最も高い位置よりも高い位置に設けられていること、
   を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記気抜き弁は、前記循環液ラインの最も高い位置に設けられていること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記気抜き流路は、一端が前記気抜き弁の排出側と接続され、他端が前記タンクの内部の前記循環液の液面よりも高い位置に設けられていること、
   を特徴とする請求項１〜３の何れか記載の燃料電池システム。
5. 移動体に設けられたこと、
   を特徴とする請求項１〜４の何れか記載の燃料電池システム。

Images