JP5376924B2 - 燃料電池システム用凍結防止装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、寒冷地に設置される燃料電池システムの凍結を防止するための燃料電池システム用凍結防止装置及び該凍結防止装置を備えた燃料電池システムに関するものである。

寒冷地に設置される定置型燃料電池システムにおいては、冬季間、気温が氷点下の環境で電力系統及び燃料電池の停電が発生する可能性は常に存在する。このように気温が氷点下の環境で、燃料電池システムが停止し、電力系統が停電した場合、燃料電池の発電または電力系統からの受電を前提とした凍結防止対策は機能しないため、燃料電池システム内部の電池スタック等の加湿された状態にある機器は凍結による破損の可能性がある。

このため、寒冷地に設置される定置型燃料電池システムにおいては、電力系統が復旧するまでの間、特に凍結に対して脆弱な燃料電池スタック等の加湿された状態にある機器を、可能な限り長時間、保温する対策が必須である。そこで、近年、寒冷地対応の燃料電池システムにおいては、保温材の追加、バッテリまたは他の自家発電機器を電源とする保温ヒータの設置（例えば、特許文献１）、燃料電池システム内の他の高温機器の冷媒を熱源とした保温対策（例えば、特許文献２）等が提案されている。
特開２００６−３３８９７４号公報 特開２００５−１８３２３７号公報

しかしながら、上述したような従来の寒冷地対応の燃料電池システムには、以下のような問題点があった。すなわち、特許文献１に示された燃料電池システムでは、保護対象となる燃料電池スタックを均等に保温できるようにするには、加温面積が広い、複数の保温ヒータを配置する必要があるため、部材コストがかかるだけでなく、結果として熱源としての消費電力が大きくなるという問題点があった。また、特許文献２に示された燃料電池システムでは、燃料電池スタックよりも高温の機器を冷却していた冷媒を燃料電池スタックに供給するための配管が必要となるため、装置が大掛かりなものとなるという問題点があった。

本発明は、上述した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、その目的は、燃料電池システム内に備えた限られた寸法の熱源により、保護対象となる燃料電池スタック等を均等に保温し、また凍結に至るまでの時間を伸長することができる燃料電池システム用凍結防止装置及び該凍結防止装置を備えた燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システム用凍結防止装置は、凍結防止対象となる燃料電池システム内部機器を、内部に所定の液体を注入したジャケットで覆うと共に、前記ジャケットの下部に、該ジャケットと接触するようにヒータを配設し、予め設定された所定の条件を満たした場合に、前記ヒータが投入されるように構成し、前記ジャケットの外側に、さらに１又は２以上の外層ジャケットを層状に配設し、前記ヒータを前記２層またはそれ以上のジャケットにより密封したことを特徴とするものである。

上記のような構成を有する本発明においては、予め設定された所定の条件を満たし、ヒータが投入されると、このヒータから供給される熱によって、ジャケット内の液体が温められる。これにより、ジャケット内の液体が熱媒体となり、温められた液体は燃料電池システム内部機器の上部に到達する。その結果、燃料電池システム内部機器をほぼ均等に保温することができるので、電力系統等が復旧するまでの間、燃料電池システム内部機器の凍結を防止することができる。また、上記のような構成を有する本発明においては、ヒータを２層またはそれ以上のジャケットにより密封することにより、凍結防止対象以外の隣接する機器への放熱を防止することができるので、ヒータにより得られる熱を高効率で利用することができる。

また、本発明の燃料電池システム用凍結防止装置は、凍結防止対象となる燃料電池システム内部機器を、内部に所定の液体を注入したジャケットで覆うと共に、前記ジャケットの下部に、該ジャケットと接触するようにヒータを配設し、予め設定された所定の条件を満たした場合に、前記ヒータが投入されるように構成し、前記ジャケットの外側に、さらに１又は２以上の外層ジャケットを層状に配設し、前記外層ジャケットに注入する液体として、内側に設置されるジャケットに注入する液体よりも融点の高い液体を用いたことを特徴とするものである。

上記のような構成を有する本発明においては、予め設定された所定の条件を満たし、ヒータが投入されると、このヒータから供給される熱によって、ジャケット内の液体が温められる。これにより、ジャケット内の液体が熱媒体となり、温められた液体は燃料電池システム内部機器の上部に到達する。その結果、燃料電池システム内部機器をほぼ均等に保温することができるので、電力系統等が復旧するまでの間、燃料電池システム内部機器の凍結を防止することができる。また、上記のような構成を有する本発明においては、外層ジャケットに注入する液体として、内側に設置されるジャケットに注入する液体よりも融点の高い液体を用いることにより、外層ジャケット内の液体を内側ジャケット内の液体より先に凝結させ、その潜熱を回収することができる。その結果、たとえヒータの電源が途絶え、熱源としての機能が喪失した場合であっても、燃料電池システム内部機器の内部に滞留した水分が凍結するまでの時間を伸長することができる。

以上のような本発明によれば、燃料電池システム内に備えた限られた寸法の熱源により、保護対象となる燃料電池スタック等を均等に保温し、また凍結に至るまでの時間を伸長することができる燃料電池システム用凍結防止装置及び該凍結防止装置を備えた燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明に係る燃料電池システム用凍結防止装置（以下、凍結防止装置という）の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（１）第１実施形態
（１−１）構成
本実施形態の凍結防止装置は、図１に示すように、凍結防止対象となる燃料電池システム内部機器１１の周囲に、内部に熱媒体としての液体が注入された液体注入ジャケット１２が配設され、この液体注入ジャケット１２の下部には、凍結防止用ヒータ１３が該液体注入ジャケット１２と接触するように配設されている。

また、前記凍結防止用ヒータ１３は、燃料電池システム内のバッテリまたはキャパシタ等、電力系統とは独立した電源装置１４と接続され、制御装置１５によって、後述する起動シーケンスによってこの電源装置１４をＯＮ／ＯＦＦすることにより、適宜、前記液体注入ジャケット１２を加熱するように構成されている。なお、この凍結防止用ヒータ１３としては、燃料電池システム内部の限られたスペースの中に設置できる寸法、形状のものが好ましい。

また、前記液体注入ジャケット１２は、防水性の被覆材から構成された中空の部材であり、この防水性の被覆材としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートフィルムを内側に貼付したポリアミド系樹脂等を用いることが好ましい。また、前記液体注入ジャケット１２に注入される液体としては、水、ベンゼン、グリセリン溶液等を用いることができる。

また、前記燃料電池システム内部機器１１とは、燃料電池システム内の装置や配管、水タンク等を指し、燃料電池スタックに代表される、発電状態において加湿または通水される燃料電池システム内の機器をいう。また、燃料電池システムが通常に運用されている状態においては、前記液体注入ジャケット１２は保温材として機能する。

また、前記凍結防止用ヒータ１３は、前記制御装置１５によって、例えば、以下の３つの条件をすべて満たした場合に電源が投入されるように構成されている。すなわち、（ａ）燃料電池の電池電圧が０Ｖ、または予め設定された電池電圧値より低い値である、（ｂ）燃料電池システムが接続されている電力系統の受電電圧が０Ｖ、または予め設定された受電電圧値より低い値である、（ｃ）所定の位置に設置された外気温センサの検出値が０℃、または予め設定された温度より低い値である、という３つの条件を全て満たした場合に、凍結防止用ヒータ１３を投入するように構成されている。なお、これらの条件は、制御装置１５内の不揮発メモリ上に記憶され、適宜、更新される。

なお、個々の燃料電池システムにおいては他の凍結防止機能を有している場合もあるため、凍結防止用ヒータの起動条件は、上記の３つに限定されるものではない。例えば、既述の条件が成立した後、燃料電池システムの起動を試み、起動に失敗した場合に凍結防止用ヒータ１３を投入するなど、燃料電池システムが備える他の凍結防止機能との整合を取れるよう、適宜、条件を追加、変更することができる。

（１−２）作用・効果
上記のような構成を有する本実施形態の凍結防止装置は以下のように作用する。すなわち、寒冷地に設置された燃料電池システムにおいて、気温が氷点下の環境で、燃料電池システムが停止し、電力系統が停電した場合に、前記制御装置１５によって、予め設定された凍結防止用ヒータの起動条件を満たしているか否かが判断され、起動条件を満たしていると判断された場合には、凍結防止用ヒータ１３が投入される。

この凍結防止用ヒータ１３から供給された熱によって、液体注入ジャケット１２内の液体が温められる。これにより、液体注入ジャケット１２内の液体が熱媒体となり、温められた液体は燃料電池システム内部機器１１の上部に到達する。その結果、燃料電池システム内部機器１１をほぼ均等に保温することができる。

このように本実施形態によれば、熱媒体としての液体が注入された液体注入ジャケット１２を凍結防止対象となる燃料電池システム内部機器１１の周囲に配設し、この液体注入ジャケット１２を適宜加温するという簡単な構成により、電力系統等が復旧するまでの間、燃料電池システム内部機器１１の凍結を防止することができる。

（２）第１実施形態の参考例
本参考例は、上記第１実施形態の参考例であって、図２（Ａ）に示すように、液体注入ジャケット１２の内壁１２ａ（燃料電池システム内部機器１１と接触する側）を外壁１２ｂより厚くして、保温性が向上する形状としても良い。また、図２（Ｂ）に示すように、液体注入ジャケット１２の外気に接触する側に、複数個の放熱用のフィン１６を付加して、その表面積を増やす形状としても良い。

このような構成を有する第１実施形態の参考例においては、たとえ凍結防止用ヒータ１３の電源が途絶え、熱源としての機能が喪失した場合であっても、燃料電池システム内部機器１１内に滞留する水分よりも先に、液体注入ジャケット１２内の液体が外気により冷却され、凍結される。この凝結時の潜熱を利用して、燃料電池システム内部機器１１の内部に滞留した水分が凍結するまでの時間を伸長することができる。

（３）第２実施形態
本実施形態は、上記第１実施形態の変形例であって、図１に示した凍結防止装置を、さらに外層液体注入ジャケット２０で覆ったものである。すなわち、本実施形態においては、図３に示すように、前記凍結防止用ヒータ１３が前記液体注入ジャケット１２と外層液体注入ジャケット２０で密封されている。

また、前記外層液体注入ジャケット２０に注入する液体としては、前記液体注入ジャケット１２に注入する液体よりも融点の高い液体を用いることが好ましい。外層液体注入ジャケット２０内の液体を液体注入ジャケット１２内の液体より先に凝結させることにより、その潜熱を回収することができるようにするためである。具体的には、液体注入ジャケット１２内に注入する液体として水を用い、外層液体注入ジャケット２０に注入する液体として水よりも融点の高い、ベンゼン、グリセリン溶液等を用いることが好ましい。

このような構成を有する本実施形態においては、凍結防止用ヒータ１３を液体注入ジャケット１２と外層液体注入ジャケット２０で密封することにより、凍結防止対象以外の隣接する機器への放熱を防止することができるので、凍結防止用ヒータ１３により得られる熱を高効率で利用することができる。

また、外層液体注入ジャケット２０に注入する液体として、液体注入ジャケット１２に注入する液体よりも融点の高い液体を用いることにより、外層液体注入ジャケット２０内の液体を液体注入ジャケット１２内の液体より先に凝結させ、その潜熱を回収することができる。その結果、たとえ凍結防止用ヒータ１３の電源が途絶え、熱源としての機能が喪失した場合であっても、燃料電池システム内部機器１１の内部に滞留した水分が凍結するまでの時間を伸長することができる。

本発明に係る燃料電池システム用凍結防止装置の第１実施形態の構成を示す図。 本発明に係る燃料電池システム用凍結防止装置の第１実施形態の参考例の構成を示す図。 本発明に係る燃料電池システム用凍結防止装置の第２実施形態の構成を示す図。

符号の説明

１１…燃料電池システム内部機器
１２…液体注入ジャケット
１３…凍結防止用ヒータ
１４…電源装置
１５…制御装置
１６…フィン
２０…外層液体注入ジャケット

Claims (3)

1. 凍結防止対象となる燃料電池システム内部機器を、内部に所定の液体を注入したジャケットで覆うと共に、前記ジャケットの下部に、該ジャケットと接触するようにヒータを配設し、
   予め設定された所定の条件を満たした場合に、前記ヒータが投入されるように構成し、
   前記ジャケットの外側に、さらに１又は２以上の外層ジャケットを層状に配設し、前記ヒータを前記２層またはそれ以上のジャケットにより密封したことを特徴とする燃料電池システム用凍結防止装置。
2. 凍結防止対象となる燃料電池システム内部機器を、内部に所定の液体を注入したジャケットで覆うと共に、前記ジャケットの下部に、該ジャケットと接触するようにヒータを配設し、
   予め設定された所定の条件を満たした場合に、前記ヒータが投入されるように構成し、
   前記ジャケットの外側に、さらに１又は２以上の外層ジャケットを層状に配設し、前記外層ジャケットに注入する液体として、内側に設置されるジャケットに注入する液体よりも融点の高い液体を用いたことを特徴とする燃料電池システム用凍結防止装置。
3. 凍結防止対象となる内部機器を有する燃料電池システムにおいて、
   前記請求項１又は請求項２のいずれかに記載の凍結防止装置が、前記内部機器に設置されていることを特徴とする燃料電池システム。

Images