JP4134679B2

JP4134679B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4134679B2
Application number: JP2002315793A
Authority: JP
Inventors: 正支高木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: JP2004150336A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、潜熱蓄熱装置を用いた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の潜熱蓄熱装置では、潜熱蓄熱装置にて加熱された冷却水を熱機関に循環させることにより熱機関の暖機運転を促進している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１７３６７９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載の発明は、潜熱蓄熱材をなす過冷却材の蓄熱機能のみ利用しており、過冷却材を冷却液として用いるものではない。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な潜熱蓄熱装置を用いた燃料電池システムを提供し、第２には、冷却も可能な潜熱蓄熱装置を用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、加熱又は冷却用の流体が流れる熱交換器（２ａ、３、１４）を有する潜熱蓄熱装置、燃料電池（１）、及び水素を吸蔵する水素吸蔵体を備える燃料電池システムであって、
流体には、潜熱を蓄えたまま相変化せずに過冷却状態となる過冷却材であって、過冷却状態の解除を誘発する解除核を含まない過冷却材が混入されており、
さらに、熱交換器（２ａ、３、１４）に過冷却材の過冷却状態を解除する過冷却解除装置（８ａ、８ｂ、８ｃ）を設け、
過冷却材の過冷却状態を解除した際に発生する潜熱を水素吸蔵体に与えることを特徴とする。
【０００７】
これにより、冷却対象としての燃料電池（１）に熱交換器（２ａ）にて過冷却状態が解除されて凝固した過冷却材が流れ込むので、過冷却材は燃料電池（１）にて少なくとも融解潜熱相当の熱量を吸熱して固体から液体に相変化する。したがって、顕熱のみにて冷却対象から吸熱する従来型の冷却方式に比べて、効率よく多量の熱を吸熱することができるので、冷却も可能な潜熱蓄熱装置を得ることができる。
【０００８】
また、請求項１に記載の発明では、過冷却材の過冷却状態を解除した際に発生する潜熱を水素吸蔵体に与えるから、この潜熱による多量の熱を水素吸蔵体に与えることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、燃料電池（１）にて加熱された流体を冷却するラジエータ（３）を有するとともに、ラジエータ（３）を循環する流体にも過冷却材が混入されており、さらに、過冷却材の潜熱を水素吸蔵体に与える場合には、ラジエータ（３）側の流体を水素吸蔵体側に供給することを特徴とする。
【００１０】
これにより、流体回路中に存在する全ての過冷却材が有する凝固熱を水素吸蔵体の加熱に利用することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、ラジエータ（３）に冷却風を送風する送風機（３ａ）及び流体を循環させるポンプ（４）を有し、燃料電池（１）にて発電が成されている場合であって、熱交換器（２ａ）に流入する流体の温度が所定温度になったときにポンプ（４）及び送風機（３ａ）を停止させて、過冷却状態が解除された過冷却材を回復させることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、ラジエータ（３）に冷却風を送風する送風機（３ａ）を有し、燃料電池（１）にて発電が成されていない場合に過冷却状態が解除された過冷却材を回復させるときには、送風機（３ａ）を停止させた状態で、過冷却材の過冷却状態が解除されない程度の流速で流体を循環させることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、過冷却材を加熱するための加熱手段（７）を有することを特徴とする。
【００１４】
これにより、確実に水素吸蔵体等を加熱できる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、水素吸蔵体は、熱交換器（２ａ）を介して流体により加熱又は冷却されており、熱交換器（２ａ）の流体出口及び流体入口との温度差により水素吸蔵体が水素を放出しているか否かを判定することを特徴とするものである。
【００１６】
請求項７に記載の発明では、水素吸蔵体に水素を吸蔵させる場合には、水素吸蔵体と熱交換する流体をラジエータ（３）に循環させることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項８に記載の発明では、水素ガスを蓄える補助タンク（９）を有し、燃料電池（１）を始動するときに、補助タンク（９）内に蓄えられた水素ガスを水素吸蔵体に供給することを特徴とするものである。
【００２２】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、燃料電池システムに本発明を適用したものであって、図１は本実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【００２４】
燃料電池１は、例えば酸素と水素との化学反応を利用して電力を発生させるもので、燃料タンク２は水素を吸蔵・解離する水素吸蔵体（本実施形態では、チタン系合金）が外表面に充填接着された熱交換器２ａが収納された容器である。
【００２５】
なお、本実施形態に係る水素吸蔵体は、加熱されることにより吸蔵していた水素を解離し、冷却されることにより水素吸蔵量が増大するもので、熱交換器２ａ内に流体を循環させることにより加熱又は冷却されて水素を解離又は吸蔵する。
【００２６】
因みに、水素吸蔵体としては、水素吸蔵合金等の金属体やカーボンナノチューブ等の有機体等がある。
【００２７】
また、流体は、潜熱を蓄えたまま相変化せずに過冷却状態となる過冷却材（例えば、酢酸水和物）であって、過冷却状態の解除を誘発する解除核（例えば、ナトリウム塩類）を含まず、かつ、凝固した際に約１００ミクロン以下の粉状となり、凝固した蓄熱材により流体流れに支障がでない過冷却材及び不凍液が混入された水であり、この流体は、熱交換器２ａに加えて、燃料電池１内及びラジエータ３を循環する。
【００２８】
ラジエータ３は燃料電池１から流出した流体と空気（大気）とを熱交換して流体を冷却するものであり、このラジエータ３及び熱交換器２ａ内には、過冷却材の過冷却状態を解除して過冷却材を液体から固体に相変化させて融解潜熱相当の凝固熱を発生させる過冷却解除装置８ａ、８ｂが設けられている。
【００２９】
なお、過冷却解除装置８ａ、８ｂとして、本実施形態では、ラジエータ３及び熱交換器２ａ内の流体通路内に設けた流体衝突板にて機械的な衝撃を過冷却材に連続的に与えるもの採用しているが、振動子（ピエゾ素子）等にて連続的に機械的な衝撃を与えるもの、又は流体通路に電極を配置して連続的に電気的な衝撃を与えるもの等を採用してもよいことは言うまでもない。
【００３０】
電動式のポンプ４は流体を循環させるもので、三方式の切替弁５はポンプ４の流体流れ上流側に配置されて流体流れを切り換えるバルブであり、流体バルブ６は燃料電池１を流出してラジエータ３側に流れる流体の通路を開閉する弁であり、電気ヒータ７は燃料電池１を流出して燃料タンク２（熱交換器２ａ）に流れ込む流体を加熱する加熱手段である。
【００３１】
補助タンク９は、燃料タンク２と燃料電池１とを繋ぐ水素回路に接続されて水素ガスを蓄える圧力容器であり、水素バルブ１０ａ、１０ｂは水素回路を開閉する弁であり、ポンプ４、切替弁５、流体バルブ６、電気ヒータ７、水素バルブ１０ａ、１０ｂ及びラジエータ３に冷却風を送風する送風機３ａの作動は電子制御装置により制御されている。
【００３２】
なお、第１温度センサ１１ａは燃料タンク２（熱交換器２ａ）に流れ込む流体の温度を検出する流体温度検出手段であり、第２温度センサ１１ｂは燃料タンク２（熱交換器２ａ）から流出する流体の温度を検出する流体温度検出手段であり、両センサ１１ａ、１１ｂの検出値は電子制御装置に入力されている。
【００３３】
次に、本実施形態の概略作動及びその効果を述べる。
【００３４】
１．燃料電池１の始動時（燃料電池１にて発電を開始するとき）
流体バルブ６を閉じ、かつ、送風機３ａを停止した状態でポンプ４を稼動させて、流体を、図１の実線で示す矢印のごとく、燃料電池１→電気ヒータ７→燃料タンク２（熱交換器２ａ）→ラジエータ３→バイパス通路１２→切替弁５→ポンプ４→燃料電池１の順に直列循環させる。
【００３５】
これにより、ラジエータ３及び熱交換器２ａでは、内部を流れる流体に混入された過冷却材の過冷却状態が連続的に解除されるので、流体回路中に存在する全ての過冷却材が有する凝固熱を水素吸蔵体及び燃料電池１の加熱に利用することができる。つまり、熱交換器２ａにて発生した凝固熱は水素吸蔵体の加熱に消費され、ラジエータ３にて発生した凝固熱は燃料電池１の加熱に消費される。
【００３６】
したがって、冷間始動時であっても、速やかに水素吸蔵体から水素を解離させて燃料電池１に供給し始めることができるとともに、燃料電池１の温度を水素と酸素とが化学反応し易い温度まで上昇させることができる。
【００３７】
また、熱交換器２ａでは、過冷却材が凝固する際に発生する融解潜熱に相当する凝固熱を水素吸蔵体に与えるので、熱交換器２ａを大型にすることなく、多量の熱を水素吸蔵体に与えることができ、熱交換器２ａの加熱効率を向上させることができる。
【００３８】
なお、水素吸蔵体が水素を放出しているか否かの判定は、熱交換器２ａの流体出口及び流体入口との温度差、つまり第１、２温度センサ１１ａ、１１ｂの検出温度差により確認する。
【００３９】
つまり、第１温度センサ１１ｂの検出温度が第１温度センサ１１ａの検出温度より低いときには、流体が水素吸蔵体に熱を与えて水素吸蔵体から水素が解離されたものとみなすことができる。
【００４０】
また、ラジエータ３にて過冷却材の過冷却状態が解除されたか否かは、第１温度センサ１１ｂの検出温度上昇により判断する。
【００４１】
また、電気ヒータ７は原則として作動させないが、水素吸蔵体から放出される水素量が所定量以下のとき、又は水素吸蔵体から水素が放出されないときには、電気ヒータ７に通電して熱交換器２ａに流入する流体を加熱し、水素の解離を促進する。
【００４２】
２．燃料電池１が始動した後（燃料電池１にて発電が開始された後）
流体バルブ６を開き、かつ、送風機３ａを稼動させた状態でポンプ４を稼動させて、流体を、図１の破線で示す矢印のごとく、燃料電池１→電気ヒータ７→燃料タンク２（熱交換器２ａ）→切替弁５→ポンプ４→燃料電池１の順で循環させる循環路と、燃料電池１→ラジエータ３→切替弁５→ポンプ４→燃料電池１の順に循環させる循環路とを形成して並列循環させる。
【００４３】
これにより、燃料電池１には、ラジエータ３及び熱交換器２ａにて過冷却状態が解除されて凝固した過冷却材が流れ込むので、過冷却材は燃料電池１にて少なくとも融解潜熱相当の熱量を吸熱して固体から液体に相変化する。したがって、顕熱のみにて燃料電池１から吸熱する従来型の冷却方式に比べて、効率よく多量の熱を吸熱することができる。
【００４４】
また、ラジエータ３では、過冷却材は大気にて冷却されるが、ラジエータ３にて過冷却材は凝固するので、燃料電池１にて吸熱した融解潜熱相当の凝固熱を大気中に放出するので、顕熱のみにて放熱する従来型の放熱方式に比べて、効率よく多量の熱を放熱することができる。
【００４５】
以上に述べたように、本実施形態によれば、顕熱のみにて燃料電池１を冷却する従来型の冷却方式に比べて、効率よく燃料電池１を冷却することができるとともに、水素吸蔵体を効率よく加熱することができる。
【００４６】
なお、熱交換器２ａでは、燃料電池１に発生した熱が過冷却材の過冷却状態が解除される際に発生する凝固熱、並びに過冷却材及び水の顕熱として水素吸蔵体に与えられる。
【００４７】
３．過冷却状態が解除された過冷却材を回復させる場合
３．１燃料電池１にて発電が成されている場合
熱交換器２ａに流入する流体の温度が過冷却状態となる温度、つまり凝固点になったときにポンプ４及び送風機３ａを停止させて過冷却状態が解除された過冷却材を回復させる。
【００４８】
３．２燃料電池１にて発電が成されていない場合
水素バルブ１０ａ、１０ｂを閉じ、かつ、送風機３ａを停止させた状態で、過冷却材の過冷却状態が解除されない程度の流速で流体を循環させて過冷却状態が解除された過冷却材を回復させる。
【００４９】
４．水素を吸蔵させる場合（燃料タンク２に水素を注入する場合）
送風機３ａを稼動させた状態で、水素吸蔵体と熱交換した流体、つまり熱交換器２ａを流出した流体を過冷却材の過冷却状態が解除されない程度の流速でラジエータ３に循環させる。
【００５０】
これにより、水素吸蔵体を冷却しながら水素を注入できるので、水素の注入時間を短縮することができる。
【００５１】
なお、誤って過冷却材の過冷却状態が解除された場合には、第１温度センサ１１ａの検出温度が過冷却状態となる温度、つまり凝固点になるように電気ヒータ７に通電する。
【００５２】
（第２実施形態）
第１実施形態では、本発明に係る潜熱蓄熱装置を燃料電池システムに適用したが、本実施形態は、図２に示すように、本発明に係る潜熱蓄熱装置をディーゼルエンジン等の内燃機関（熱機関）１３を有する熱機関システムに用いたものである。
【００５３】
そして、図２中、ヒータ１４は内燃機関１３から流出した流体を熱源として、例えば室内に吹き出す空気を加熱するものであり、ヒータ１４内には、第１実施形態と同様な過冷却解除装置８ｃが設けられてる。なお、流体は第１実施形態と同じものである。
【００５４】
また、送風機１４ａはヒータ１４に室内に吹き出す空気を送風するもので、電磁弁１４ｂはヒータ１４に流入する流体を制御するものであり、温度センサ１５は内燃機関１３から流出した流体の温度を検出するものである。
【００５５】
次に、本実施形態の特徴的作動及びその効果を述べる。
【００５６】
内燃機関を始動するときには、電磁弁１４ｂを閉じ、かつ、送風機３ａを停止させた状態でポンプ４を稼動させて過冷却解除装置８ａ、８ｃにて凝固熱を発生させた後、内燃機関１３に流入する流体の温度が所定温度以上となったときに、内燃機関１３を始動させるクランキング手段をなすセルモータを稼動させる。
【００５７】
これにより、内燃機関１３の暖機運転時間を短縮することができるので、暖機運転中に内燃機関１３から排出される有害物質を低減することができる。
【００５８】
（その他の実施形態）
第１実施形態では、燃料電池１の始動時に補助タンク９内に蓄えられた水素ガスを水素吸蔵体に供給しなかったが、本発明はこれに限定されるものではなく、燃料電池１の始動時に補助タンク９内に蓄えられた水素ガスを水素吸蔵体に供給してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る熱機関システムの模式図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…燃料タンク、３…ラジエータ、４…ポンプ、
５…切替弁、６…流体バルブ、７…電気ヒータ、８ａ、８ｂ…過冷却解除装置

Claims

加熱又は冷却用の流体が流れる熱交換器（２ａ、３、１４）を有する潜熱蓄熱装置、燃料電池（１）、及び水素を吸蔵する水素吸蔵体を備える燃料電池システムであって、
前記流体には、潜熱を蓄えたまま相変化せずに過冷却状態となる過冷却材であって、過冷却状態の解除を誘発する解除核を含まない過冷却材が混入されており、
さらに、前記熱交換器（２ａ、３、１４）に前記過冷却材の過冷却状態を解除する過冷却解除装置（８ａ、８ｂ、８ｃ）を設け、
前記過冷却材の過冷却状態を解除した際に発生する潜熱を前記水素吸蔵体に与えることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池（１）にて加熱された流体を冷却するラジエータ（３）を有するとともに、前記ラジエータ（３）を循環する流体にも前記過冷却材が混入されており、
さらに、前記過冷却材の潜熱を前記水素吸蔵体に与える場合には、前記ラジエータ（３）側の流体を前記水素吸蔵体側に供給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。
前記ラジエータ（３）に冷却風を送風する送風機（３ａ）及び流体を循環させるポンプ（４）を有し、
前記燃料電池（１）にて発電が成されている場合であって、前記熱交換器（２ａ）に流入する流体の温度が所定温度になったときに前記ポンプ（４）及び前記送風機（３ａ）を停止させて、過冷却状態が解除された前記過冷却材を回復させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記ラジエータ（３）に冷却風を送風する送風機（３ａ）を有し、
前記燃料電池（１）にて発電が成されていない場合に過冷却状態が解除された前記過冷却材を回復させるときには、前記送風機（３ａ）を停止させた状態で、前記過冷却材の過冷却状態が解除されない程度の流速で流体を循環させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記過冷却材を加熱するための加熱手段（７）を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
前記水素吸蔵体は、前記熱交換器（２ａ）を介して流体により加熱又は冷却されており、
前記熱交換器（２ａ）の流体出口及び流体入口との温度差により前記水素吸蔵体が水素を放出しているか否かを判定することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
前記水素吸蔵体に水素を吸蔵させる場合には、前記水素吸蔵体と熱交換する流体を前記ラジエータ（３）に循環させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
水素ガスを蓄える補助タンク（９）を有し、
前記燃料電池（１）を始動するときに、前記補助タンク（９）内に蓄えられた水素ガスを前記水素吸蔵体に供給することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。