JP2020149933A - Fuel cell system and temperature adjusting method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタックに冷媒を流通させる冷却配管を有する燃料電池システム、及び燃料電池スタックの温度調整方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell system having a cooling pipe for flowing a refrigerant through the fuel cell stack, and a method for adjusting the temperature of the fuel cell stack.
燃料電池システムは、燃料電池スタックに接続した反応ガス配管によりアノードガスやカソードガスを流通(供給及び排出)させることで、燃料電池スタック内で発電を行う。また特許文献1に示すように、燃料電池システムは、燃料電池スタックに接続した冷媒配管により冷媒を流通させることで、燃料電池スタックの発電時の温度調整を行う。 The fuel cell system generates electricity in the fuel cell stack by circulating (supplying and discharging) anode gas and cathode gas through a reaction gas pipe connected to the fuel cell stack. Further, as shown in Patent Document 1, the fuel cell system adjusts the temperature of the fuel cell stack during power generation by circulating the refrigerant through a refrigerant pipe connected to the fuel cell stack.
ところで、燃料電池スタックは、発電を停止した後に、急激に温度低下すると、その後早期に運転を再開する際に起動に必要なエネルギが大きくなる。さらに、燃料電池スタックは、急激な温度低下の機会が多いと劣化が進んで寿命が短くなる。このため、特許文献1に開示の燃料電池システムは、冷媒を温める蓄熱器を備えることで、発電停止時の燃料電池スタックを保温している。 By the way, when the temperature of the fuel cell stack drops sharply after the power generation is stopped, the energy required for starting the fuel cell stack becomes large when the operation is restarted at an early stage thereafter. Further, the fuel cell stack deteriorates and shortens its life when there are many opportunities for a sudden temperature drop. Therefore, the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is provided with a heat storage device for heating the refrigerant to keep the fuel cell stack warm when power generation is stopped.
しかしながら、特許文献1に開示の燃料電池システムのように蓄熱器を設けた構成では、システムの複雑化を招くことになり、製造コストが増加する、システムが大型化する等の不都合が生じる。 However, in the configuration provided with the heat storage device as in the fuel cell system disclosed in Patent Document 1, the system becomes complicated, and inconveniences such as an increase in manufacturing cost and an increase in size of the system occur.
本発明は、上記の技術に関連してなされたものであり、システムの複雑化を抑制しつつ、発電を停止した後の冷媒の流通による燃料電池スタックの温度低下を低減することができる燃料電池システム、及び燃料電池スタックの温度調整方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in connection with the above technology, and is a fuel cell capable of reducing the temperature drop of the fuel cell stack due to the flow of the refrigerant after the power generation is stopped while suppressing the complexity of the system. It is an object of the present invention to provide a method for adjusting the temperature of a system and a fuel cell stack.
前記の目的を達成するために、本発明の第1の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのエンドプレートに接続され、冷媒を流通させる冷媒配管とを備えた燃料電池システムであって、前記冷媒配管は、前記燃料電池スタックに前記冷媒を供給する冷媒供給配管と、前記燃料電池スタックから前記冷媒を排出する冷媒排出配管とを含み、前記冷媒供給配管と前記冷媒排出配管の各々の前記エンドプレートの近傍位置には、前記冷媒の流通を抑制又は阻止する構造体が設けられる。 In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention is a fuel cell system including a fuel cell stack and a refrigerant pipe connected to an end plate of the fuel cell stack to allow a refrigerant to flow. The refrigerant pipe includes a refrigerant supply pipe that supplies the refrigerant to the fuel cell stack and a refrigerant discharge pipe that discharges the refrigerant from the fuel cell stack, and each of the refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe. A structure for suppressing or blocking the flow of the refrigerant is provided near the end plate.
また前記の目的を達成するために、本発明の第2の態様は、冷媒を流通させる冷媒配管がエンドプレートに接続された燃料電池スタックの温度調整方法であって、前記冷媒配管は、前記燃料電池スタックに前記冷媒を供給する冷媒供給配管と、前記燃料電池スタックから前記冷媒を排出する冷媒排出配管と、前記冷媒を循環させるポンプとを含み、前記冷媒供給配管と前記冷媒排出配管の各々の前記エンドプレートの近傍位置には構造体が設けられ、前記燃料電池スタックの発電時に、前記ポンプを駆動し且つ前記構造体を通して前記冷媒を流通状態とすることで、該燃料電池スタックを冷却し、前記燃料電池スタックの発電停止時に、前記ポンプの駆動を停止し、且つ前記構造体により前記冷媒を流通抑制状態又は流通阻止状態とすることで前記燃料電池スタックの保温状態を維持する。 Further, in order to achieve the above object, the second aspect of the present invention is a method for adjusting the temperature of a fuel cell stack in which a refrigerant pipe for flowing a refrigerant is connected to an end plate, wherein the refrigerant pipe is the fuel. Each of the refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe includes a refrigerant supply pipe for supplying the refrigerant to the battery stack, a refrigerant discharge pipe for discharging the refrigerant from the fuel cell stack, and a pump for circulating the refrigerant. A structure is provided near the end plate, and when the fuel cell stack is generating power, the pump is driven and the refrigerant is circulated through the structure to cool the fuel cell stack. When the power generation of the fuel cell stack is stopped, the driving of the pump is stopped, and the structure keeps the refrigerant in a flow suppressing state or a flow blocking state to maintain the heat retention state of the fuel cell stack.
上記の燃料電池システムは、冷媒配管のエンドプレートの近傍位置に構造体を備えることで、燃料電池スタックの動作停止時に、冷媒配管の冷媒の流通を抑制又は阻止することができる。すなわち、燃料電池システムは、燃料電池スタックから昇温した冷媒の排出、又は燃料電池スタックへの低温の冷媒の供給が構造体により抑制されるので、燃料電池スタックの温度低下を低減することが可能となる。燃料電池スタックは、急激な温度低下の機会が少なくなることで、その寿命を延ばすことができる。しかも、構造体は、システムの複雑化を招くことなく、冷媒配管内に簡単に設けられるので、システムの小型化や製造コストの低廉化が図られる。 By providing the structure in the vicinity of the end plate of the refrigerant pipe, the above fuel cell system can suppress or prevent the flow of the refrigerant in the refrigerant pipe when the operation of the fuel cell stack is stopped. That is, in the fuel cell system, the discharge of the heated refrigerant from the fuel cell stack or the supply of the low temperature refrigerant to the fuel cell stack is suppressed by the structure, so that it is possible to reduce the temperature drop of the fuel cell stack. It becomes. The life of a fuel cell stack can be extended by reducing the chances of a sudden temperature drop. Moreover, since the structure is easily provided in the refrigerant pipe without complicating the system, the system can be miniaturized and the manufacturing cost can be reduced.
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be given and described in detail with reference to the accompanying drawings.
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム10は、図1に示すように、燃料電池スタック12、アノードガス系装置14、カソードガス系装置16、冷却装置18及び制御装置20を備える。この燃料電池システム10は、例えば、燃料電池自動車(車両11)の図示しないモータルームに搭載される。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池スタック12は、アノードガス系装置14から供給されるアノードガス(水素等の燃料ガス)と、カソードガス系装置16から供給されるカソードガス(エア等の酸化剤ガス)とに基づき発電を行う。また、冷却装置18は、燃料電池スタック12の発電時に、燃料電池スタック12に冷媒(冷却水等)を供給すると共に、燃料電池スタック12から冷媒を排出することで、燃料電池スタック12の冷却(温度調整)を行う。
The
図2に示すように、燃料電池スタック12は、アノードガスとカソードガスの電気化学反応により発電する複数の発電セル22を有する。複数の発電セル22は、燃料電池スタック12を車両11に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車幅方向に沿って積層された積層体24に構成されている。積層体24の積層方向両端部の各々には、ターミナルプレート26a、26b、絶縁プレート28a、28b、エンドプレート30a、30bが外方に向かって順に積層されている。なお、複数の発電セル22は、車両11の前後方向や重力方向に積層されていてもよい。
As shown in FIG. 2, the
発電セル22は、電解質膜・電極構造体32(以下、「MEA32」という)と、MEA32を挟持する2つのセパレータ34とで構成される。隣り合う発電セル22同士のセパレータ34は、その外周同士が接合され、一体的な接合セパレータに構成される。
The
発電セル22のMEA32は、電解質膜36(例えば、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜))と、電解質膜36の一方の面に設けられたアノード電極38と、電解質膜36の他方の面に設けられたカソード電極40とを有する。2つのセパレータ34は、MEA32と対向し合う面の各々に、アノードガスを流動させるアノードガス流路38aと、カソードガスを流動させるカソードガス流路40aとを形成する。また、2つのセパレータ34同士が対向し合う面には、冷媒を流動させる冷媒流路42が形成される。
The
また、積層体24は、アノードガス、カソードガス及び冷媒を、発電セル22の積層方向に沿って個々に流動させる複数の連通孔(アノードガス連通孔44、カソードガス連通孔46、冷媒連通孔48)を備える。積層体24内において、アノードガス連通孔44はアノードガス流路38aに連通し、カソードガス連通孔46はカソードガス流路40aに連通し、冷媒連通孔48は冷媒流路42に連通している。
Further, the
積層体24に供給されたアノードガスは、アノードガス連通孔44(アノードガス入口連通孔44a)を流動してアノードガス流路38aに流入する。アノード電極38で発電に使用されたアノードオフガスは、アノードガス流路38aからアノードガス連通孔44(アノードガス出口連通孔44b)に流入して積層体24から排出される。
The anode gas supplied to the laminate 24 flows through the anode gas communication hole 44 (anode gas
積層体24に供給されたカソードガスは、カソードガス連通孔46(カソードガス入口連通孔46a)を流動してカソードガス流路40aに流入する。カソード電極40で発電に使用されたカソードオフガスは、カソードガス流路40aからカソードガス連通孔46(カソードガス出口連通孔46b)に流入して積層体24から排出される。
The cathode gas supplied to the laminate 24 flows through the cathode gas communication hole 46 (cathode gas
積層体24に供給された冷媒は、冷媒連通孔48(冷媒入口連通孔48a)を流動して冷媒流路42に流入される。発電セル22を冷却した冷媒は、冷媒流路42から冷媒連通孔48(冷媒出口連通孔48b)に流入して積層体24から排出される。
The refrigerant supplied to the
積層体24の一端部に設けられるエンドプレート30aには、アノードガス及びカソードガスを流通させる反応ガス配管50、及び冷媒を流通させる冷媒配管52が接続される。反応ガス配管50は、アノードガス入口連通孔44aに連通するアノードガス供給配管50a、アノードガス出口連通孔44bに連通するアノードガス排出配管50b、カソードガス入口連通孔46aに連通するカソードガス供給配管50c及びカソードガス出口連通孔46bに連通するカソードガス排出配管50dを含む。冷媒配管52は、冷媒入口連通孔48aに連通する冷媒供給配管52a、及び冷媒出口連通孔48bに連通する冷媒排出配管52bを有する。
A
さらに、燃料電池スタック12は、エンドプレート30a、30bを含む積層体24全体を空間部54aに収容するスタックケース54を備える。なお、スタックケース54は、発電セル22の積層体24の積層方向に直交する周囲を囲う筒体に形成され、エンドプレート30a、30bにより筒体の端部を閉塞した構成でもよい。
Further, the
エンドプレート30aに接続される上記の反応ガス配管50(アノードガス供給配管50a、アノードガス排出配管50b、カソードガス供給配管50c、カソードガス排出配管50d)及び冷媒配管52(冷媒供給配管52a、冷媒排出配管52b)は、スタックケース54の一端側の壁部55を貫通してスタックケース54の外部に露出されている。スタックケース54の配管の貫通箇所にはパッキン等が設けられてもよい。
The above reaction gas pipe 50 (anode
図1及び図2に示すように、燃料電池システム10の冷却装置18は、上記の冷媒配管52、ラジエータ56及びポンプ58により、燃料電池スタック12との間で冷媒を循環させる循環回路を形成している。具体的には、冷媒供給配管52aは、積層体24(エンドプレート30a)とラジエータ56の間を延在し、その途中位置にポンプ58を備える。冷媒排出配管52bは、積層体24(エンドプレート30a)とラジエータ56の間を延在する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
冷却装置18のラジエータ56は、車両11内において燃料電池スタック12の前方側且つ重力方向の下方側に設けられる。そのため、冷媒配管52(冷媒供給配管52a、冷媒排出配管52b)は、スタックケース54の壁部55から露出されると、壁部55に近い位置で湾曲して前方且つ下方に延在している。また、冷媒配管52を構成する材料は、特に限定されず、金属材料又は樹脂材料のいずれを適用してもよい。
The
ラジエータ56は、例えば、冷媒配管52に連通して冷媒が流動する内部配管(不図示)と、ラジエータファン56aとにより構成され、ラジエータファン56aの回転に伴う冷却風により内部配管内の冷媒を冷却する。なお、ラジエータ56の構成や設置位置は、特に限定されないことは勿論である。
The
ポンプ58は、制御装置20により動作が制御され、冷媒供給配管52aの冷媒を循環させることで、燃料電池スタック12に冷媒を供給する。これにより燃料電池スタック12の冷媒も冷媒排出配管52bに流出され、基づいてラジエータ56に流動する。なお、冷却装置18は、冷媒供給配管52aに代えて冷媒排出配管52bにポンプ58を備えてもよく、冷媒供給配管52a及び冷媒排出配管52bの各々にポンプ58を備えてもよい。
The operation of the
また、冷却装置18は、上記のデバイス以外に、図示しない種々のデバイスが設けられてよい。例えば、冷却装置18のデバイスとしては、冷媒に含まれるイオンを除去するイオン交換器、冷媒を貯留するリザーブタンク、冷媒の温度を検出する温度センサ等が挙げられる。また、冷媒供給配管52aと冷媒排出配管52bの延在方向も適宜設計され得る。冷媒供給配管52aと冷媒排出配管52bの間には、ラジエータ56をバイパスする図示しないバイパス管が設けられてもよい。
In addition to the above devices, the
そして、燃料電池システム10は、燃料電池スタック12の発電停止時に、冷媒配管52の冷媒の流動を抑制する(流通抑制状態とする)構造体60を有する。この構造体60は、冷媒供給配管52aと冷媒排出配管52bのそれぞれに設けられている。
Then, the
また、構造体60は、燃料電池スタック12のエンドプレート30aの近傍位置に設けられている。エンドプレート30aの「近傍位置」とは、エンドプレート30aと冷却装置18のデバイス(ラジエータ56、ポンプ58等)間を延在する冷媒配管52の中間位置よりもエンドプレート30a寄りにあることを言う。例えば、近傍位置は、エンドプレート30aと冷媒配管52の接続箇所から30cm以下程度の範囲である。本実施形態に係る構造体60は、スタックケース54の境界に設けられることで、エンドプレート30aに対して充分に近い位置にある。
Further, the
本実施形態に係る構造体60は、冷媒の流動停止状態で、冷媒配管52の流路を完全に遮断しない(流路を部分的に開通させている)弁体62に構成されている。以下、この弁体62、及び弁体62が配置される冷媒配管52について、図3A〜図3Dを参照して説明する。
The
冷媒配管52は、複数の配管(第1管64、第2管66)の分割構造に構成され、弁体62が固定された中継管68により第1管64と第2管66の間を接続している。すなわち、弁体62と中継管68は、冷媒配管52の途中位置に弁体62を設けるための管ユニット69を構成している。
The
管ユニット69は、スタックケース54の一端側の壁部55に重なる位置に設けられ、例えば壁部55と中継管68との間にパッキンが設置される。なお、中継管68は、スタックケース54の壁部55に連結されていてもよい。また、スタックケース54の「境界」とは、スタックケース54の壁部55に重なる箇所の他に、スタックケース54の壁部55の外側又は内側で当該壁部55に隣接する箇所を含む。例えば、スタックケース54内に第1管64があり、スタックケース54外に第2管66がある場合に、中継管68は第2管66を接続するためにスタックケース54から突出するコネクタに構成されていてもよい。
The
弁体62は、中継管68に固定するための固定部70と、中継管68(冷媒配管52)の流路を開閉可能な開閉部72とを有する。固定部70及び開閉部72は一体成形されている。
The
固定部70は、環状に形成され、適宜の固定手段により中継管68の内周面に密着固定される。固定手段は、特に限定されるものではなく、融着、接着、他の固定用部材を内嵌する等の手段をとり得る。或いは、中継管68及び弁体62は、図示しない被係止部(凹部や凸部等)を一方に設け、この被係止部に係止される係止部を他方に設けた構造でもよい。
The fixing
開閉部72は、複数(図示例では3つ)の薄片74により構成される。各薄片74は、固定部70の一端から中継管68の中心に向かって傾斜して突出することで、開閉部72全体を略円錐形状としている。固定部70から開閉部72が突出する方向は、冷媒が流動方向の上流から下流に向かう方向である。従って、冷媒供給配管52aでは、エンドプレート30aに向かって開閉部72が突出するように供給側弁体62aが配置され、冷媒排出配管52bでは、ラジエータ56に向かって開閉部72が突出するように排出側弁体62bが配置される。
The opening / closing
各薄片74は、開閉部72の略円錐形状を分割した三角形状に形成されている。各薄片74は、冷媒の流動力に基づき固定部70の基点に突出端側が弾性変形する。また本実施形態における各薄片74の突出端は、相互に離間しており、突出端同士の間に隙間76を形成している。
Each
上記の各薄片74は、燃料電池スタック12の発電停止時に、冷媒の流通が停止することで、相互に近接して冷媒を殆ど通過させない。ただし、隙間76から冷媒を多少流動させることで流路の連通を維持する(冷媒の流通抑制状態とする)。また、各薄片74は、冷媒が流通時と逆方向に流れた場合に、隙間76を閉じるように動作する。さらに、各薄片74は、燃料電池スタック12の発電時(冷媒の流通時)に、相互に大きく離間することで、適切な量の冷媒を流動させる。
Each of the above-mentioned
上記の弁体62は、ポンプ58による冷媒の循環に基づき、適度に弾性変形可能なゴム材料(樹脂材料)により構成されるとよい。ゴム材料は、特に限定されるものではないが、例えば、ウレタンゴム、シリコンゴム、フッ素ゴム等の熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー、或いは他のエラストマー等が挙げられる。
The
本実施形態に係る燃料電池システム10は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その動作について説明する。
The
図1に示すように、燃料電池システム10は、制御装置20の制御に基づき、アノードガス系装置14により燃料電池スタック12にアノードガスを供給し、カソード系装置により燃料電池スタック12にカソードガスを供給する。燃料電池スタック12内では、図2に示すように、各発電セル22のアノード電極38にアノードガスが供給される一方で、各発電セル22のカソード電極40にカソードガスが供給されることで、各発電セル22が発電を行う。また、燃料電池システム10は、発電時のアノードオフガスを燃料電池スタック12からアノードガス系装置14に排出し、また発電時のカソードオフガスを燃料電池スタック12からカソードガス系装置16に排出する。
As shown in FIG. 1, in the
そして、燃料電池システム10は、燃料電池スタック12の発電時に、制御装置20の制御下にポンプ58を適宜駆動して、燃料電池スタック12と冷却装置18との間で冷媒を循環させ、燃料電池スタック12を冷却する。すなわち、冷却装置18は、冷媒供給配管52aの流路を通して燃料電池スタック12に冷媒を供給する。冷媒供給配管52a内に設けられた供給側弁体62aは、積層体24に冷媒が向かう流動力に伴い、開閉部72(複数の薄片74)が大きく開口して冷媒をスムーズに流通させる(図3C及び図3D参照)。
Then, when the
燃料電池スタック12内において、冷媒供給配管52aから供給された冷媒は、隣接し合うセパレータ34の間の冷媒流路42を通ることで各発電セル22を冷却する。そして燃料電池システム10は、燃料電池スタック12からラジエータ56に冷媒排出配管52bの流路を通して昇温した冷媒を排出する。この際、冷媒排出配管52b内に設けられた排出側弁体62bは、ラジエータ56に冷媒が向かう流動力に伴い、開閉部72(複数の薄片74)が大きく開口して冷媒をスムーズに流通させる。そして、ラジエータ56は、ラジエータファン56aの駆動下に冷媒を冷却する。
In the
燃料電池システム10は、燃料電池スタック12の発電停止時に、アノードガス系装置14、カソードガス系装置16及び冷却装置18の動作を停止する。冷却装置18のポンプ58が停止することで、冷媒が循環しなくなる。しかしながら、冷媒排出配管52bがスタックケース54から下方に向かって延在していることで、燃料電池スタック12の冷媒は、重力により下方に向かって積極的に流動しようとする。また例えば、ポンプ58の停止の初期には冷媒配管52内を循環していた冷媒の流動が継続している。
The
このような発電停止時の冷媒の動きに対し、冷媒配管52内に設けられた弁体62(構造体60)は、冷媒の流通を抑制させる(図3A及び図3B参照)。具体的には、冷媒供給配管52aの供給側弁体62aは、冷却装置18(ラジエータ56、ポンプ58、冷媒配管52)で冷やされた冷媒が燃料電池スタック12に移動することを抑制する。逆に、冷媒排出配管52bの排出側弁体62bは、燃料電池スタック12内で温められた冷媒が外部に移動することを抑制する。従って、燃料電池システム10は、発電停止の初期における燃料電池スタック12の急激な温度低下を低減して、燃料電池スタック12を保温することができる。
The valve body 62 (structure 60) provided in the
特に、スタックケース54の壁部55(エンドプレート30aの近傍位置)に位置する弁体62は、冷媒配管52内で低温化した冷媒の流通を抑制するので、燃料電池スタック12の保温をより効果的に行うことができる。また、冷媒供給配管52aの弁体62は、発電停止中に、燃料電池スタック12内の冷媒が逆流した場合(下方に傾斜している冷媒供給配管52aに冷媒が流出しようとした場合)に、弁体62の開閉部72が閉じることで冷媒の流出を防ぐことができる。或いは、冷媒排出配管52bの弁体62も、例えば車両11が坂道等に停車する等してラジエータ56が高い位置になって冷媒が逆流した場合に、開閉部72が閉じることで冷媒の流入を防ぐことができる。
In particular, the
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、弁体62は、冷媒供給配管52aや冷媒排出配管52bに複数設けられてもよい。また、弁体62は、発電停止時に、上記のように開閉部72が隙間76(冷媒の流通抑制状態)を形成する構成に限定されず、冷媒配管52の流路を完全に遮断する(冷媒の流通阻止状態を形成する)構成でもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made according to the gist of the invention. For example, a plurality of
さらに、構造体60(弁体62)は、上記の構成に限定されず、種々の構成を適用し得る。例えば、弁体62の開閉部72は、4以上の薄片74が弾性変形する構成でもよく、又は一対の膜が相互に離間及び近接する構成(いわゆるダックビル弁)でもよい。さらに、弁体62は、一連に連なる円錐状の膜を有し、冷媒の流動力により膜が大きく開口する構成でもよい。或いは、構造体60は、開閉部72が突出していないディスク弁等を適用してもよい。
Further, the structure 60 (valve body 62) is not limited to the above configuration, and various configurations can be applied. For example, the opening / closing
また、図4A〜図4Dに示す第1変形例のように、構造体60は、円錐状に形成され、その傾斜面に1以上の口部82aを有する硬質部82と、硬質部82に一部が固定され且つ口部82aを開閉可能に覆う軟質部84とを有するリード弁80であってもよい。硬質部82は、冷媒配管52の内面に固定される図3中の固定部70と同様の機能を有する。軟質部84は、冷媒に流動力がない場合に口部82aを閉塞(冷媒の流通阻止状態を形成)する一方で、冷媒の流動力により変形することで口部82aを開放して冷媒を流通させる。これにより上記の弁体62と同様の効果を得ることができる。
Further, as in the first modification shown in FIGS. 4A to 4D, the
なお弁体62と同様に、リード弁80は、冷媒に流動力がない場合に、口部82aと軟質部84の間に隙間76(流通抑制状態)を形成する構成でもよい。また図4A〜図4D(及び図5A〜図5B)では、リード弁80(遮断バルブ92)を冷媒配管52に直接設置した構成を示しているが、上記弁体62と同様に、リード弁80も中継管68を適用して冷媒配管52に設置し得ることは勿論である。
Similar to the
さらに、図5A及び図5Bに示す第2変形例のように、構造体60は、アクチュエータ90で駆動されるボールバルブ92a(遮断バルブ92)であってもよい。ボールバルブ92aは、冷媒配管52の流路内で回転可能であり且つ貫通孔94aを有する球体94を備える。アクチュエータ90は、制御装置20の制御に基づき球体94を回転させ、貫通孔94aを流路に対向させないことで流路を流通阻止状態(又は流通抑制状態)とし、貫通孔94aを流路に対向させることで連通状態とする。
Further, as in the second modification shown in FIGS. 5A and 5B, the
制御装置20は、冷媒配管52内の冷媒の温度、燃料電池スタック12の温度又は燃料電池システム10の周囲環境の温度、燃料電池の発電状態等に応じて、流路の遮断と連通を切り替える。一例としては、制御装置20は、燃料電池スタック12の温度が高い場合に、発電停止直後に冷媒配管52を遮断せずに冷媒を流通させ、燃料電池スタック12の温度が所定以下になった際に冷媒配管52を遮断する構成とすることができる。
The control device 20 switches between shutting off and communicating with the flow path according to the temperature of the refrigerant in the
なお、アクチュエータ90で駆動される遮断バルブ92は、ボールバルブ92aに限定されず、例えば、バタフライバルブやストップバルブ等でもよい。
The
図6に示す第3変形例のように、燃料電池システム10Aは、冷媒供給配管52a及び冷媒排出配管52bの各々にパイロット付きチェック弁100を備えた構成でもよい。冷媒供給配管52aに設けられたパイロット付きチェック弁100aは、冷媒排出配管52bの流路圧力に基づき冷媒供給配管52aの開放又は閉塞を切り替える。一方、冷媒排出配管52bに設けられたパイロット付きチェック弁100bは、冷媒供給配管52aの流路圧力に基づき冷媒排出配管52bの開放又は閉塞を切り替える。これにより燃料電池システム10Aは、冷媒配管52の流路圧力が高い場合に、冷媒を流通させ、流路圧力が低い場合に流路を遮断することができ、やはり燃料電池スタック12を良好に保温することができる。
As in the third modification shown in FIG. 6, the
またさらに、図7に示す第4変形例のように、燃料電池システム10Cは、スタックケース54の一端側に、アノードガス系装置14及びカソードガス系装置16の少なくとも一方のデバイスを収容した補機ケース110を備え、補機ケース110の境界付近の冷媒配管52に構造体60が設けられてもよい。このように、補機ケース110に構造体60を備えることでも、燃料電池システム10Cは、上記実施形態と同様に、冷媒の流通を遮断又は抑制することができる。特に、補機ケース110の境界に構造体60を備えることで、補機ケース110内の冷媒配管52を、反応ガス系のデバイスや配管から放出される熱により保温することができる。
Further, as in the fourth modification shown in FIG. 7, the fuel cell system 10C is an auxiliary machine in which at least one device of the anode
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。 The technical ideas and effects that can be grasped from the above embodiments are described below.
燃料電池システム10、10A〜10Cは、冷媒配管52(冷媒供給配管52a、冷媒排出配管52bの各々)のエンドプレート30aの近傍位置に構造体60を備えることで、燃料電池スタック12の動作停止時に、冷媒配管52の冷媒の流通を抑制又は阻止することができる。すなわち、燃料電池システム10、10A〜10Cは、燃料電池スタック12から昇温した冷媒の排出、又は燃料電池スタック12への低温の冷媒の供給が構造体60により抑制されるので、燃料電池スタック12を良好に保温することが可能となる。燃料電池スタック12は、急激な温度低下の機会が少なくなることで、その寿命を延ばすことができる。しかも、構造体60は、システムの複雑化を招くことなく、冷媒配管52内に簡単に設けられるので、システムの小型化や製造コストの低廉化を図ることができる。
The
また、燃料電池スタック12は、発電を行う複数の発電セル22及びエンドプレート30aを積層した積層体24と、積層体24を収容するスタックケース54とを備え、構造体60は、スタックケース54から冷媒配管52が露出される境界に設けられる。これにより、燃料電池スタック12の発電停止時に、スタックケース54の外側に露出されている冷媒配管52で低温化した冷媒がスタックケース54内に流入することが抑制される。従って、燃料電池スタック12を一層良好に保温することができる。
Further, the
また、構造体60は、冷媒配管52を構成する複数の配管の間に設置される中継管68内に設けられることで、管ユニット69に構成されている。これにより、燃料電池システム10、10A〜10Cは、冷媒配管52に構造体60を簡単に設置することができ、またメンテナンス等を簡単化することが可能となる。
Further, the
また、構造体60は、冷媒配管52の内周面に固定され、冷媒の流動に伴い大きく開口する弁体62である。これにより、燃料電池システム10、10A〜10Cは、構造体60の構成を一層簡素化しつつ、冷媒配管52の冷媒の流通を抑制又は阻止することができる。
Further, the
また、構造体60は、冷媒配管52の流路圧力に基づき開閉するパイロット付きチェック弁100である。このように冷媒配管52の流路圧力に基づき開閉するパイロット付きチェック弁100を備えることで、燃料電池システム10Aは、冷媒配管52の冷媒の流通状態の切り替えを一層確実に行うことが可能となる。
Further, the
また、構造体60は、アクチュエータ90で駆動される遮断バルブ92である。これにより、燃料電池システム10、10A〜10Cは、アクチュエータ90を制御して所望のタイミングで、冷媒の流通を抑制又は遮断することが可能となる。
Further, the
また、本発明の他の態様は、冷媒を流通させる冷媒配管52がエンドプレート30aに接続された燃料電池スタック12の温度調整方法であって、冷媒配管52は、燃料電池スタック12に冷媒を供給する冷媒供給配管52aと、燃料電池スタック12から冷媒を排出する冷媒排出配管52bと、冷媒を循環させるポンプ58とを含み、冷媒供給配管52aと冷媒排出配管52bの各々のエンドプレート30aの近傍位置には構造体60が設けられ、燃料電池スタック12の発電時に、ポンプ58を駆動し且つ構造体60を通して冷媒を流通状態とすることで、燃料電池スタック12を冷却し、燃料電池スタック12の発電停止時に、ポンプ58の駆動を停止し、且つ構造体60を流通抑制状態又は流通阻止状態とすることで燃料電池スタック12の保温状態を維持する。これにより、燃料電池システム10、10A〜10Cは、システムの複雑化を招くことなく、燃料電池スタック12の発電時に冷媒を良好に流通させる一方で、燃料電池スタック12の発電停止時に燃料電池スタック12の温度低下を低減することができる。
Another aspect of the present invention is a method for adjusting the temperature of the
10、10A〜10C…燃料電池システム 12…燃料電池スタック
18…冷却装置 22…発電セル
24…積層体 30a、30b…エンドプレート
52…冷媒配管 52a…冷媒供給配管
52b…冷媒排出配管 54…スタックケース
55…壁部 60…構造体
62…弁体 68…中継管
69…管ユニット 74…薄片
80…リード弁 90…アクチュエータ
92…遮断バルブ 92a…ボールバルブ
100、100a、100b…パイロット付きチェック弁
10, 10A to 10C ...
Claims (7)
前記燃料電池スタックのエンドプレートに接続され、冷媒を流通させる冷媒配管とを備えた燃料電池システムであって、
前記冷媒配管は、前記燃料電池スタックに前記冷媒を供給する冷媒供給配管と、前記燃料電池スタックから前記冷媒を排出する冷媒排出配管とを含み、
前記冷媒供給配管と前記冷媒排出配管の各々の前記エンドプレートの近傍位置には、前記冷媒の流通を抑制又は阻止する構造体が設けられる
燃料電池システム。 With the fuel cell stack,
A fuel cell system including a refrigerant pipe connected to an end plate of the fuel cell stack and for circulating a refrigerant.
The refrigerant pipe includes a refrigerant supply pipe that supplies the refrigerant to the fuel cell stack and a refrigerant discharge pipe that discharges the refrigerant from the fuel cell stack.
A fuel cell system in which a structure for suppressing or blocking the flow of the refrigerant is provided at a position in the vicinity of the end plate of each of the refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe.
前記燃料電池スタックは、発電を行う複数の発電セル及び前記エンドプレートを積層した積層体と、前記積層体を収容するスタックケースとを備え、
前記構造体は、前記スタックケースから前記冷媒配管が露出される境界に設けられる
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 1,
The fuel cell stack includes a stack of a plurality of power generation cells for generating power and the end plates, and a stack case for accommodating the stack.
The structure is a fuel cell system provided at a boundary where the refrigerant pipe is exposed from the stack case.
前記構造体は、前記冷媒配管を構成する複数の配管の間に設置される中継管内に設けられることで、管ユニットに構成されている
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to claim 1 or 2.
The structure is a fuel cell system configured in a pipe unit by being provided in a relay pipe installed between a plurality of pipes constituting the refrigerant pipe.
前記構造体は、前記冷媒配管の内周面に固定され、前記冷媒の流動に伴い大きく開口する弁体である
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
A fuel cell system in which the structure is fixed to the inner peripheral surface of the refrigerant pipe and opens widely with the flow of the refrigerant.
前記構造体は、前記冷媒配管の流路圧力に基づき開閉するパイロット付きチェック弁である
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
The structure is a fuel cell system that is a check valve with a pilot that opens and closes based on the flow path pressure of the refrigerant pipe.
前記構造体は、アクチュエータで駆動される遮断バルブである
燃料電池システム。 In the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
The structure is a fuel cell system that is a shutoff valve driven by an actuator.
前記冷媒配管は、前記燃料電池スタックに前記冷媒を供給する冷媒供給配管と、前記燃料電池スタックから前記冷媒を排出する冷媒排出配管と、前記冷媒を循環させるポンプとを含み、
前記冷媒供給配管と前記冷媒排出配管の各々の前記エンドプレートの近傍位置には構造体が設けられ、
前記燃料電池スタックの発電時に、前記ポンプを駆動し且つ前記構造体を通して前記冷媒を流通状態とすることで、該燃料電池スタックを冷却し、
前記燃料電池スタックの発電停止時に、前記ポンプの駆動を停止し、且つ前記構造体により前記冷媒を流通抑制状態又は流通阻止状態とすることで前記燃料電池スタックの保温状態を維持する
燃料電池スタックの温度調整方法。 It is a method of adjusting the temperature of the fuel cell stack in which the refrigerant piping for circulating the refrigerant is connected to the end plate.
The refrigerant pipe includes a refrigerant supply pipe that supplies the refrigerant to the fuel cell stack, a refrigerant discharge pipe that discharges the refrigerant from the fuel cell stack, and a pump that circulates the refrigerant.
A structure is provided in the vicinity of the end plate of each of the refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe.
At the time of power generation of the fuel cell stack, the fuel cell stack is cooled by driving the pump and circulating the refrigerant through the structure.
When the power generation of the fuel cell stack is stopped, the driving of the pump is stopped, and the structure keeps the fuel cell stack in a heat-retaining state by putting the refrigerant in a flow suppression state or a flow prevention state. Temperature adjustment method.
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