JP4303013B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、燃料電池スタックの冷却系に係わる。
【0002】
【従来の技術】
例えば、特許文献1に記載されているような燃料電池自動車に適用される従来の燃料電池発電システムとして、図4に示されるものがある。図4において、加湿器1は、圧縮水素タンクから供給される純水素と、外部より取り入れた空気とを発電作用の活性化および電解質膜の劣化防止のために純水タンク3からの純水を使用して加湿する。加湿した純水素および空気は燃料電池スタック4に供給される。
【0003】
燃料電池スタック4は、純水素と空気中の酸素とを反応させることにより発電する。この発電には発熱を伴うため、燃料電池スタック4を冷却する冷却液循環経路5が設けられている。
【0004】
冷却液循環経路5は、燃料電池スタック4とラジエータ6と純水タンク3との間を循環し、経路途中にはヒータ7が付設されている。
【0005】
上記燃料電池発電システムの動作を説明する。純水が凍結する温度状況下でシステムが起動されると、ヒータ7をオンして冷却液循環経路5の冷却液が加熱される。加熱された冷却液は純水タンク3を通る際に純水タンク3内の純水を加熱する。純水が凍結している場合には冷却液の熱で解凍され、燃料電池スタック4の発電が可能となる。システムの起動後の通常運転時にはヒータ7をオフする。冷却液循環経路5の冷却液はラジエータ6を通る際に冷却され、冷却された冷却液が燃料電池スタック4を通る際に燃料電池スタック4を冷却する。これにより、燃料電池スタック4の温度が一定以上に上昇するのを防止する。
【0006】
【特許文献番号】
特開2002−298880号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池発電システムでは、システムの起動時には冷却液がラジエータ6を通るために冷却され、ヒータ7による加熱を阻害する。つまり、温めるべき冷却液を一方で冷却するため、システム効率が悪いという問題があった。
【0008】
又、純水タンク3内の純水は、凍結し、又は、凍結する可能性のある状況時でのみ加熱する必要があり、その以外の時には冷却液による加熱が必要ない。つまり、一般的にシステムの起動後の通常運転時には純水を加熱する必要がないが前記従来の燃料電池発電システムでは常に冷却液が純水タンク3を循環する。従って、温める必要のない純水を温めるため、システム効率が悪いという問題があった。
【0009】
そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、システム効率を向上させた燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、冷却器と燃料電池スタックとを通る冷却液循環経路と、前記冷却液循環経路に接続され、前記冷却器を迂回する第1バイパス経路と、冷却液を流す経路を前記第1バイパス経路と前記冷却器への経路とに切り替えできる第1切り替え弁と、冷却水の温度を検出する第1温度検出センサとを備え、この第1温度検出センサが所定の第1温度以上を検出すると、前記第1切り替え弁が冷却器への経路に、前記第1温度検出センサが第1温度未満を検出すると、前記第1切り替え弁が前記第1バイパス経路への経路に切替位置を可変し、前記冷却液循環経路は、純水タンク及び加熱手段をも通るよう構成され、前記冷却液循環経路に接続され、前記純水タンク及び加熱手段を迂回する第2バイパス経路と、冷却液を流す経路を前記第2バイパス経路と前記純水タンクへの経路とに切り替えできる第2切り替え弁と、純水の温度を検出する第2温度検出センサとを備え、この第2温度検出センサが所定の第2温度未満を検出すると、前記第2切り替え弁が前記純水タンクへの経路に、前記第2温度検出センサが第2温度以上を検出すると、前記第2切り替え弁が前記第2バイパス経路への経路に切替位置を可変し、前記第2温度検出センサは、前記純水タンクの内部に設けたことを特徴とする燃料電池発電システムである。
【0012】
請求項2の発明は、請求項1記載の燃料電池発電システムであって、前記第1温度検出センサは、前記冷却液循環経路の前記燃料電池スタックからの出口部分に設けたことを特徴とする燃料電池発電システムである。
【0014】
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2記載の燃料電池発電システムであって、前記燃料電池発電システムの停止が選択されると、前記第1切り替え弁が前記第1バイパス経路への経路を選択する切替位置としてシステムが停止されることを特徴とする燃料電池発電システムである。
【0015】
請求項4の発明は、請求項1〜請求項3記載の燃料電池発電システムであって、前記燃料電池発電システムの停止が選択されると、前記第2切り替え弁が前記加熱手段及び前記純水タンクへの経路を選択する切替位置としてシステムが停止されることを特徴とする燃料電池発電システムである。
【0016】
【発明の効果】
請求項1の発明によれば、システム起動後の通常運転時等のように、冷却液が第1温度以上の時には、冷却液が冷却器を通り、燃料電池スタックの冷却に供されるが、システムの起動時等のように、冷却液が第1温度未満の時には、冷却液が冷却器を通らずに冷却器によって冷却されることがない。従って、温めるべき冷却液を一方で冷却することがないため、システム効率が向上する。又、冷却器を通らずに冷却液の循環経路抵抗が小さくなるため、循環用ポンプの負荷が低減され、この点からもシステム効率が向上する。
【0017】
加えて、純水が凍結したり、その可能性がある寒冷地等でのシステム起動時等のように、純水が第2温度未満の時には、冷却液が純水タンクを通り、純水タンクの加熱に供されるが、純水が凍結せず、凍結の可能性もない第2温度以上の時には、冷却液が純水タンクを通らない。従って、温める必要のない純水を温めないため、システム効率が向上する。又、純水タンクを通らないことによって冷却液の循環経路抵抗が小さくなるため、循環用ポンプの負荷が低減され、この点からもシステム効率が向上する。また、純水の凍結の有無を最も確実に反映するため、的確に純水タンクへの加熱の有無を判断できる。
【0018】
請求項2の発明によれば、請求項1の発明の効果に加え、冷却液は燃料電池スタックとの間で熱交換を行い、燃料電池スタックの出口部分での冷却液の温度情報が最も燃料電池スタックの発熱状況を反映するため、的確に冷却液での冷却の有無を判断できる。
【0020】
請求項3の発明によれば、請求項1又は請求項2の発明の効果に加え、第1切り替え弁が凍結によって切り替え不能となった場合にシステムが起動されても、冷却液が冷却器を通らない経路を循環するため、冷却液が過冷却されることがない。つまり、第1切り替え弁の凍結による不具合を受けない。
【0021】
請求項4の発明によれば、請求項1〜請求項3の発明の効果に加え、第2切り替え弁が凍結によって切り替え不能となった場合にシステムが起動されても、冷却液が純水タンクを通る経路を循環するため、冷却液によって純水が解凍される。つまり、第2切り替え弁の凍結による不具合を受けない。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【0023】
図1は本発明の一実施形態を示し、燃料電池自動車に搭載された燃料電池発電システムの概略構成図である。
【0024】
図1において、加湿器1は、外部より取り入れた空気と、圧縮水素タンク2から供給される純水素とを発電作用の活性化および電解質膜の劣化防止のために純水タンク3からの純水を使用して加湿する。加湿した空気及び純水素は燃料電池スタック4に供給される。
【0025】
燃料電池スタック4は、酸化剤ガスとして外部から取り入れられた空気が導入される空気極4aと、純水素が導入される燃料極4bとを有し、これら空気極4aに導入された空気中の酸素と燃料極4bに導入された純水素とを電解質膜(図示せず)を介して反応させることにより発電させる。
【0026】
冷却液循環経路5は、燃料電池スタック4と冷却器であるラジエータ6と純水タンク3との間を循環し、経路途中には加熱手段であるヒータ7と循環用ポンプ8が付設されている。このヒータ7及び循環用ポンプ8は、制御手段(図示せず)によって駆動が制御される。又、冷却液循環経路5には第1バイパス経路10と第2バイパス経路11が接続されている。
【0027】
第1バイパス経路10は、冷却液循環経路5のラジエータ6の直ぐ上流と直ぐ下流に接続され、ラジエータ6を迂回するよう構成されている。第1バイパス経路10と冷却液循環経路5の上流側接続位置には第1切り替え弁12が設けられている。
【0028】
第1切り替え弁12は、冷却液(例えば不凍液)を流す経路を第1バイパス経路10とラジエータ6への経路とのいずれかに選択的に切り替え可能に構成されている。第1切り替え弁12は制御手段(図示せず)によって切り替え位置が制御される。
【0029】
第2バイパス経路11は、冷却液循環経路5のヒータ7及び純水タンク3の直ぐ上流と直ぐ下流に接続され、ヒータ7及び純水タンク3を迂回するよう構成されている。第2バイパス経路11と冷却液循環経路5の上流側接続位置には第2切り替え弁13が設けられている。
【0030】
第2切り替え弁13は、冷却液を流す経路を第2バイパス経路11とヒータ7および純水タンク3への経路とのいずれかに選択的に切り替え可能に構成されている。第2切り替え弁13は制御手段(図示せず)によって切り替え位置が制御される。
【0031】
第1温度検出センサ14は、冷却液循環経路5の燃料電池スタック4からの出口部分に設けられ、冷却液の温度を検出する。この検出情報は、制御手段(図示せず)に出力される。
【0032】
第2温度検出センサ15は、純水タンク3内に設けられ、純水の温度を検出する。この検出情報は、制御手段(図示せず)に出力される。
【0033】
制御手段(図示せず)は、第1温度検出センサ14の検出温度が所定の第1温度(例えば80℃)以上のときには冷却液をラジエータ6に流すように、所定の第1温度(例えば80℃)未満のときには冷却液を第1バイパス経路10に流すように第1切り替え弁12を制御する。又、制御手段(図示せず)は、第2温度検出センサ15の検出温度が所定の第2温度(例えば4℃)以上のときには冷却液を第2バイパス経路11に流すように、所定の第2温度(例えば4℃)未満のときには冷却液をヒータ7及び純水タンク3に流すように第2切り替え弁15を制御する。
【0034】
ここで、第1温度は、燃料電池スタック4の効率的な発電動作を保障するため冷却が必要な冷却液の温度であり、例えば80℃に設定される。第2温度は、純水タンク3内の純水が凍結しない、又は、凍結する恐れのない温度であり、例えば4℃に設定される。
【0035】
次に、上記燃料電池発電システムの動作を説明する。気温が温暖等であって、純水タンク3内の温度が第2温度(例えば4℃)以上の時に、システムが起動されると、第2温度検出センサ15の検出温度が第2温度(例えば4℃)以上であるため、第2切り替え弁13の切替位置が第2バイパス経路11を選択する位置とされる。又、気温が温暖等の場合には冷却液の温度は80℃未満であり、第1温度検出センサ14の検出温度も第1温度(例えば80℃)未満であるため、第1切り替え弁12の切替位置が第1バイパス経路10を選択する位置とされる。
【0036】
純水タンク3の純水は凍結していないため、直ちに純水が加湿器1などに供給され、燃料電池スタック4で発電が開始される。冷却液はラジエータ6を通らずに極端に冷却されることがなく、燃料電池スタック4のみを通る経路を循環する。
【0037】
システムが起動され、時間が経過すると、燃料電池スタック4の発熱によって冷却液の温度が徐々に上昇する。第1温度検出センサ14の検出温度が第1温度(例えば80℃)以上になると、第1切り替え弁12の切替位置がラジエータ6への経路を選択する位置に切り替わる。つまり、通常運転の状態となる。
【0038】
この通常運転時の冷却液の循環系は図2に示すような経路となり、冷却液がラジエータ6を通り、ここで冷却される。そして、冷却された冷却液が燃料電池スタック4を通り、燃料電池スタック4を冷却する。このような冷却液による熱交換を繰り返すことにより燃料電池スタック4が所定温度以上に温度上昇することがない。
【0039】
一方、寒冷な時で純水タンク3内の温度が第2温度(例えば4℃)未満の時に、システムが起動されると、第2温度検出センサ15の検出温度が第2温度(例えば4℃)未満であるため、第2切り替え弁13の切替位置がヒータ7及び純水タンク3への経路を選択する位置とされる。冷却液がヒータ7及び純水タンク3の経路を通る場合にはヒータ7がオンされる。又、寒冷な時では当然に冷却液の温度も80℃未満であり、第1温度検出センサ14の検出温度も第1温度(例えば80℃)未満であるため、第1切り替え弁12の切替位置が第1バイパス経路10を選択する位置とされる。
【0040】
このような場合の冷却液の循環系は図3に示すような経路となり、冷却液はラジエータ6を通らずにヒータ7を通り、ヒータ7で温められる。この温められた冷却液が純水タンク3を通るため、純水タンク3内の純水が直ちに解凍される。純水が解凍されると、純水が加湿器1などに供給され、燃料電池スタック4で発電が開始される。冷却液はラジエータ6を通らずに循環し、燃料電池スタック4を通る。冷却液は十分に冷たいため、燃料電池スタック4は冷却液によって冷却され、燃料電池スタック4が所定温度以上に温度上昇することがない。
【0041】
そして、純水タンク3内が温まり、第2温度検出センサ15の検出温度が第2温度(例えば4℃)以上になると、第2切り替え弁13の切替位置が第2バイパス経路11を選択する位置に切り替わり、冷却液がヒータ7及び純水タンク3を通らないで循環する。第2バイパス経路11に切り替えられた時点でヒータ7はオフされる。
【0042】
又、システムが起動され、時間が経過すると、燃料電池スタック4の発熱によって冷却液の温度が徐々に上昇する。第1温度検出センサ14の検出温度が第1温度(例えば80℃)以上になると、第1切り替え弁12の切替位置がラジエータ6への経路を選択する位置に切り替わる。つまり、通常運転の状態になる。この通常運転時の冷却液の循環系は図2に示すような経路となり、これの動作は上記で説明したので、省略する。
【0043】
燃料電池発電システムの停止が選択されると、第1切り替え弁12が第1バイパス経路10を選択する切替位置で、第2切り替え弁13がヒータ7及び純水タンク3への経路を選択する切替位置でシステムが停止される。
【0044】
以上、上記燃料電池発電システムでは、システム起動後の通常運転時等のように、冷却液が第1温度(例えば80℃)以上の時には、冷却液がラジエータ6を通り、燃料電池スタック4の冷却に供されるが、システムの起動時等のように、冷却液が第1温度(例えば80℃)未満の時には、冷却液がラジエータ6を通らずにラジエータ6によって冷却されることがない。従って、温めるべき冷却液を一方で冷却することがないため、システム効率が向上する。又、ラジエータ6を通らずに冷却液の循環経路抵抗が小さくなるため、循環用ポンプ8の負荷が低減され、この点からもシステム効率が向上する。
【0045】
又、上記燃料電池発電システムでは、純水が凍結したり、その可能性がある寒冷地等におけるシステム起動時等のように、純水が第2温度(例えば4℃)未満の時には、冷却液が純水タンク3を通り、純水タンク3の加熱に供されるが、純水が凍結したり、その可能性がない第2温度(例えば4℃)以上の時には、冷却液が純水タンク3を通らない。従って、温める必要のない純水を温めないため、システム効率が向上する。又、純水タンク3を通らないことによって冷却液の循環経路抵抗が小さくなるため、循環用ポンプ8の負荷が低減され、この点からもシステム効率が向上する。
【0046】
上記実施形態では、第1温度検出センサ14は、冷却液循環経路5の燃料電池スタック4からの出口部分に設けたので、冷却液は燃料電池スタック4との間で熱交換を行い、燃料電池スタック4の出口部分での冷却液の温度情報が最も燃料電池スタック4の発熱状況を反映するため、的確に冷却液での冷却の有無を判断できる。
【0047】
上記実施形態では、第2温度検出センサ15は、純水タンク3の内部に設けたので、純水の凍結の有無を最も確実に反映するため、的確に純水タンク3への加熱の有無を判断できる。
【0048】
上記実施形態では、燃料電池発電システムの停止が選択されると、第1切り替え弁12が第1バイパス経路10を選択する切替位置でシステムが停止されるので、第1切り替え弁12が凍結によって切り替え不能となった場合にシステムが起動されても、冷却液がラジエータ6を通らない経路を循環するため、冷却液が過冷却されることがない。つまり、第1切り替え弁12の凍結による不具合を防止できる。
【0049】
上記実施形態では、燃料電池発電システムの停止が選択されると、第2切り替え弁13がヒータ7及び純水タンク3への経路を選択する切替位置として停止されるので、第2切り替え弁13が凍結によって切り替え不能となった場合において、システムが起動されても冷却液が純水タンク3を通る経路を循環するため、冷却液によって純水が解凍される。つまり、第2切り替え弁13の凍結による不具合を防止できる。
【0050】
尚、上記実施形態では、燃料電池発電システムは電気自動車に搭載される場合として説明したが、家庭用などの燃料電池発電システムとして利用されるものであっても本発明は同様に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示し、燃料電池自動車に搭載された燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図2】本発明の一実施形態を示し、システム起動後の通常運転時における冷却液の経路を示す概略構成図である。
【図3】本発明の一実施形態を示し、寒冷地などでのシステム起動時における冷却液の経路を示す概略構成図である。
【図4】従来例を示し、燃料電池自動車に搭載された燃料電池発電システムの概略構成図である。
【符号の説明】
3 純水タンク
4 燃料電池スタック
5 冷却液循環経路
6 ラジエータ(冷却器)
7 ヒータ(加熱手段)
10 第1バイパス経路
11 第2バイパス経路
12 第1切り替え弁
13 第2切り替え弁
14 第1温度検出センサ
15 第2温度検出センサ
Claims (4)
- 冷却器(6)と燃料電池スタック(4)とを通る冷却液循環経路(5)と、
前記冷却液循環経路(5)に接続され、前記冷却器(6)を迂回する第1バイパス経路(10)と、
冷却液を流す経路を前記第1バイパス経路(10)と前記冷却器(6)への経路とに切り替えできる第1切り替え弁(12)と、
冷却水の温度を検出する第1温度検出センサ(14)とを備え、
この第1温度検出センサ(14)が所定の第1温度以上を検出すると、前記第1切り替え弁(12)が冷却器(6)への経路に、前記第1温度検出センサ(14)が第1温度未満を検出すると、前記第1切り替え弁(12)が前記第1バイパス経路(10)への経路に切替位置を可変し、前記冷却液循環経路(5)は、純水タンク(3)及び加熱手段(7)をも通るよう構成され、
前記冷却液循環経路(5)に接続され、前記純水タンク(3)及び加熱手段(7)を迂回する第2バイパス経路(11)と、
冷却液を流す経路を前記第2バイパス経路(11)と前記純水タンク(3)への経路とに切り替えできる第2切り替え弁(13)と、
純水の温度を検出する第2温度検出センサ(15)とを備え、
この第2温度検出センサ(15)が所定の第2温度未満を検出すると、前記第2切り替え弁(13)が前記純水タンク(3)への経路に、前記第2温度検出センサ(15)が第2温度以上を検出すると、前記第2切り替え弁(13)が前記第2バイパス経路(11)への経路に切替位置を可変し、前記第2温度検出センサ(15)は、前記純水タンク(3)の内部に設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項1記載の燃料電池発電システムであって、
前記第1温度検出センサ(14)は、前記冷却液循環経路(5)の前記燃料電池スタック(4)からの出口部分に設けたことを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項1又は請求項2記載の燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池発電システムの停止が選択されると、前記第1切り替え弁(12)が前記第1バイパス経路(10)を選択する切替位置としてシステムが停止されることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項1〜請求項3記載の燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池発電システムの停止が選択されると、前記第2切り替え弁(13)が前記加熱手段(7)及び前記純水タンク(3)への経路を選択する切替位置としてシステムが停止されることを特徴とする燃料電池発電システム。
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