JP4303013B2

JP4303013B2 - 燃料電池発電システム

Info

Publication number: JP4303013B2
Application number: JP2003071706A
Authority: JP
Inventors: 英信亀田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Calsonic Kansei Corp
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2023-03-17
Also published as: JP2004281254A

Description

【０００１】
【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

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。