JP2020126727A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池で発生した排熱を単純な構成により効率よく利用可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】排熱回収ラインＨＬは、燃料電池本体１からの冷却水を放熱器３を経由して燃料電池本体１に循環させる。冷却ラインＢＬは、燃料電池本体１を冷却する冷却水を放熱器３を経由することなく循環させる。三方調整弁４は、燃料電池本体１から流出した冷却水を排熱回収ラインＨＬと冷却ラインＢＬに分岐させる。制御部５は、三方調整弁４の冷却ラインＢＬ側と排熱回収ラインＨＬ側に対する開度を制御することにより、排熱が多い場合には冷却水を排熱回収ラインＨＬに流し、排熱が少ない場合には冷却ラインＢＬに流す。【選択図】図１

Description

実施形態は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池は、電気的化学反応を発生させる際に発熱する。燃料電池の発電を継続するには、燃料電池を所定の温度に維持する必要があり、冷却水を供給することで燃料電池の冷却を行っている。燃料電池で発生した熱を有効利用すべく、必要に応じて熱需要に供給するシステムとするのが一般的である。

従来の燃料電池システムは、例えば、特許文献１に示すように、燃料電池の冷却を行う電池冷却ラインと、電池冷却ラインから熱を回収する排熱回収ラインの２つのラインを備えることが多い。電池冷却ラインにて燃料電池の冷却を行い、電池冷却ラインの熱を電池冷却ライン上に設けた熱交換器を介して排熱回収ラインへ受け渡す。熱交換器は、排熱回収ラインを構成する機器でもある。そして、排熱回収ライン上の客先利用熱交換器にて、客先に熱を供給することで熱を利用する。

特許第５０９２９６０号公報

前記のような技術においては、全く独立した２つのラインが熱交換器で接続されていたが、このような２つのラインを設けることは、常時排熱を利用することの可能な排熱理由率の高いシステムにあっては有効である。しかし、排熱利用率が低く、排熱回収ラインの規模や利用率が低いシステムにおいては、独立した２つのラインを設けることはシステム全体の構成が複雑になり、コストアップの要因となる。特に、従来技術では、熱交換器を介して２つのライン間の熱移動を行うことから、排熱を客先の放熱手段に直接供給する構成に比較してシステムが大型化すると共に、熱交換による損失も多く、熱利用率が低い、言い換えれば利用可能な熱エネルギーが少ないシステムには不適当であった。

本実施形態の燃料電池システムは、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、燃料電池で発生した排熱を単純な構成により効率よく利用可能とする燃料電池システムを提供する。

実施形態に係る燃料電池システムは、次のような構成を有する。
（１）燃料電池本体からの冷却水を、放熱手段を経由して前記燃料電池本体に循環させる排熱回収ライン。
（２）前記燃料電池本体を冷却する冷却水を、前記放熱手段を経由することなく循環させる冷却ライン。
（３）前記燃料電池本体から流出した冷却水を前記排熱回収ラインと冷却ラインに分岐させる三方調整弁。
（４）前記三方調整弁の前記冷却ライン側と前記排熱回収ライン側に対する開度を制御する制御部。

第１実施形態の配管図である。 第２実施形態の配管図である。 第３実施形態の配管図である。 第４実施形態の配管図である。

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。

［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１に対して冷却水を供給するポンプ２、燃料電池本体１によって加熱された冷却水の排熱を利用する放熱器３を結ぶ排熱回収ラインＨＬを備える。放熱器３としては、例えば、空冷ファン、ラジエター、熱交換器などの公知の放熱手段を適宜使用することができる。

燃料電池システムは、排熱回収ラインＨＬの放熱器３を経由することなく、排熱回収ラインＨＬのバイパスとして、燃料電池本体１とポンプ２との間で冷却水を循環させる冷却ラインＢＬを備える。排熱回収ラインＨＬと冷却ラインＢＬの分岐部分には、燃料電池本体１から流出する冷却水を２つのラインに分流する三方調整弁４が設けられる。

三方調整弁４は、その開度を調整する制御部５を備える。制御部５は、手動或いは各種のセンサや検出器からのデータ、或いは燃料電池本体１の運転状況に関するデータに基づいて、冷却水の流れを排熱回収ラインＨＬと冷却ラインＢＬで切り換えたり、あるいは、排熱回収ラインＨＬと冷却ラインＢＬに流れる冷却水の流量配分を調整するための手段である。

本実施形態において、制御部５は、放熱器３に設けられた運転スイッチであって、システムの利用者が放熱器３において冷却水の排熱を利用するにあたってその運転スイッチを投入すると、三方調整弁４が排熱回収ラインＨＬ側に切り換わり、冷却水が排熱回収ラインＨＬ側に流れる。また、運転スイッチとして、強、中、弱などのように運転レベルが選択可能なものを使用した場合には、その運転レベルに応じて三方調整弁４の開度が変化して、排熱回収ラインＨＬに流れる冷却水の分流レベルが調整される。

特に図示しないが、排熱回収ラインＨＬには、ユーザが利用する排熱のための放熱器３に加えて、従来公知の各種放熱器や熱交換器（例えば、ユーザ用熱交換器、機器保護用熱交換器）を設けることができる。また、燃料電池システムにおいて排熱回収ラインＨＬに設けられる各種装置、例えば、水処理装置、流量計、圧力弁、冷却水の漏洩監視装置、警報装置などを設けることもできる。

［１−２．作用・効果］
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムでは、排熱回収ラインＨＬに対して冷却ラインＢＬをバイパス接続したことにより、冷却ラインＢＬに対して熱交換器を介して排熱回収ラインＨＬを接続した従来技術に比較して熱交換器が不要となり、システムの構成が単純化する。また、排熱の利用時には、燃料電池本体１からの冷却水を直接放熱器３に供給することができるので、熱効率も良い。

本実施形態では、排熱が多い場合には冷却水を排熱回収ラインＨＬに流し、排熱が少ない場合には冷却水を冷却ラインＢＬに流すという処理を、三方調整弁４という比較的単純で小型の部品によって行える利点がある。そのため、本実施形態によれば、排熱の利用頻度が低い、すなわち、冷却水に含まれる排熱の熱量が少なく、コスト的あるいは使用頻度的な見地から大掛かりな排熱回収ラインＨＬを設けることが不可能なシステムであっても、排熱の効果的な利用が可能となる。

更に、従来の小規模な燃料電池システムでは、利用する排熱量が少ないため、排熱回収ラインのみを設けて冷却水を常時放熱器３に供給することも考えられるが、放熱器３に常時冷却水を供給すると、燃料電池本体１の運転状況によっては放熱器３に温度の低い冷却水が供給され、ユーザが不快感を感じるような不都合が発生するが、本実施形態では、排熱回収ラインＨＬには放熱用の熱量を有する冷却水のみが供給されるので、そのような不都合は生じない。

［２．第２実施形態］
図２に示す第２実施形態は、三方調整弁４の開度を自動的に調整するものである。本実施形態では、燃料電池本体１から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段として、燃料電池本体１の後段に温度計６が設けられる。制御部５は、温度計６の検出結果に基づいて三方調整弁４の開度を制御する。すなわち、温度計６によって燃料電池本体１から流出する冷却水の温度が高い場合には、利用できる排熱の熱量が大きいことから、制御部５は三方調整弁４を排熱回収ラインＨＬ側に切り換え、高温の冷却水を放熱器３側に流して、ユーザが利用できるようにする。

この場合、制御部５は温度計６が検出した冷却水の温度が一定値以上の場合に、三方調整弁４を冷却ラインＢＬ側から排熱回収ラインＨＬ側に全部切り換えても良いし、予め設定した温度レベルに応じて三方調整弁４による分流量を調整しても良い。

このような構成を有する第２実施形態によれば、三方調整弁４の開度が燃料電池本体１から送出される冷却水の温度に応じて自動的に調整される。その結果、ユーザが特に燃料電池の運転状況を監視していなくても、利用できる排熱の熱量に応じて放熱器３に利用可能な熱量を有する冷却水が供給されるため、取り扱いが容易な排熱利用可能な燃料電池システムを得ることができる。
［３．第３実施形態］
図３に示す第３実施形態は、燃料電池本体１から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段として、放熱器３の後段に温度計６が設けられる。制御部５は、温度計６の検出結果に基づいて三方調整弁４の開度を制御する。すなわち、温度計６によって放熱器３から流出する冷却水の温度が高い場合には、放熱器３において廃熱を回収して利用した後であっても、排熱回収ラインＨＬ内を流れる冷却水の温度が高い、言い換えると燃料電池本体１から送出された冷却水の温度が高いことが分かる。

そこで、冷却水の利用できる排熱の熱量を放熱器３の後段の温度計６の検出結果から推測し、排熱の熱量が大きい場合には、制御部５は三方調整弁４を排熱回収ラインＨＬ側に切り換え、高温の冷却水を放熱器３側に流して、ユーザが利用できるようにする。

このような構成を有する第３実施形態によれば、三方調整弁４の開度が放熱器３による排熱利用後の冷却水の温度に応じて自動的に調整される。その結果、第２実施形態と同様に、取り扱いが容易な排熱利用可能な燃料電池システムを得ることができる。また、放熱器３の後段という排熱利用箇所に近い部分の温度を検出することで、放熱器３の運転状況を加味した三方調整弁４の制御が可能となることから、ユーザの排熱利用量に応じた精度の高い流量調整が可能となる。

［４．第４実施形態］
図４に示す第４実施形態は、燃料電池本体１から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段として、燃料電池本体１の運転状況を利用したものである。すなわち、燃料電池本体１の運転状況に応じて燃料電池本体１の出口温度が決まるので、運転状況に応じた流量分が排熱回収ラインＨＬに流れるように三方調整弁４の開度を調整する。

そのため、本実施形態では、熱量検出手段として、燃料電池本体１の運転状態の検出装置７を設ける。この検出装置７としては、燃料電池本体１の運転レベルやポンプ２の運転速度などを検出するものが使用できる。制御部５には、検出装置７が検出した燃料電池本体１の各運転状態において、燃料電池本体１から流出する冷却水温度との対応関係を示すデータの記憶部８が設けられる。

このような構成を有する本実施形態では、制御部５は、検出装置７が検出した燃料電池本体１の運転状態と、その運転状態に対応して記憶部８に記憶されている冷却水温度のデータに基づいて、三方調整弁４の開度を制御する。

本実施形態によれば、三方調整弁４の開度が燃料電池本体１の運転状況に応じて自動的に調整される結果、第２実施形態と同様に、取り扱いが容易な排熱利用可能な燃料電池システムを得ることができる。また、第２実施形態や第３実施形態のような温度計６などの別機器を設けることなく、燃料電池本体１の運転状況の検出装置７も、燃料電池本体１やポンプ２の運転制御装置に設けられている検出装置を、そのまま利用することが可能である。

［他の実施形態］
以上、本発明のいくつか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り、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

ＨＬ…排熱回収ライン
ＢＬ…冷却ライン
１…燃料電池本体
２…ポンプ
３…放熱器
４…三方流調弁
５…制御部
６…温度計
７…運転状況の検出装置
８…記憶部
９ａ〜９ｃ…圧力計

Claims (5)

1. 燃料電池本体からの冷却水を、放熱手段を経由して前記燃料電池本体に循環させる排熱回収ラインと
   前記燃料電池本体を冷却する冷却水を、前記放熱手段を経由することなく循環させる冷却ラインと、
   前記燃料電池本体から流出した冷却水を前記排熱回収ラインと冷却ラインに分岐させる三方調整弁と、
   前記三方調整弁の前記冷却ライン側と前記排熱回収ライン側に対する開度を制御する制御部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池本体から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段を備え、
   前記制御部は、前記熱量検出手段によって検出された前記燃料電池本体から流出する冷却水の放熱能力に従って、前記冷却ライン側と前記排熱回収ライン側に対する開度を制御す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。
3. 前記熱量検出手段が、前記燃料電池本体の後段に設けられた温度計であり、前記制御部は前記温度計の検出結果に基づいて前記三方調整弁の開度を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記熱量検出手段が、前記排熱回収ラインに設けられた前記放熱手段の後段に設けられた温度計であり、前記制御部は前記温度計の検出結果に基づいて前記三方調整弁の開度を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記熱量検出手段が、燃料電池本体の運転状態の検出手段と、前記燃料電池本体の運転状態において燃料電池本体から流出する冷却水温度との対応関係を示すデータの記憶部であり、
   前記制御部は、前記運転状態検出手段が検出した燃料電池本体の運転状態と、その運転状態に対応して前記記憶部に記憶されている冷却水温度のデータに基づいて、前記三方調整弁の開度を制御する請求項２に記載の燃料電池システム。

Images