JP7114502B2 - fuel cell system - Google Patents
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Description
実施形態は、燃料電池システムに関する。 Embodiments relate to fuel cell systems.
燃料電池は、水素と酸素との電気化学的反応により発電する装置である。燃料電池は、電気的化学反応を発生させる際に発熱する。燃料電池の発電を継続するには、燃料電池を所定の温度に維持する必要があり、冷却水を供給することで燃料電池の冷却を行っている。燃料電池で発生した熱を有効利用すべく、必要に応じて熱需要に供給するシステムとするのが一般的である。 A fuel cell is a device that generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Fuel cells generate heat as they generate electrical chemical reactions. In order for the fuel cell to continue power generation, it is necessary to maintain the fuel cell at a predetermined temperature, and the fuel cell is cooled by supplying cooling water. In order to make effective use of the heat generated by the fuel cell, it is common to have a system that supplies heat as needed.
従来の燃料電池システムは、例えば、特許文献1に示すように、燃料電池の冷却を行う電池冷却ラインと、電池冷却ラインから熱を回収する排熱回収ラインの2つのラインを備えることが多い。電池冷却ラインにて燃料電池の冷却を行い、電池冷却ラインの熱を電池冷却ライン上に設けた熱交換器を介して排熱回収ラインへ受け渡す。熱交換器は、排熱回収ラインを構成する機器でもある。そして、排熱回収ライン上の客先利用熱交換器にて、客先に熱を供給することで熱を利用する。
Conventional fuel cell systems often include two lines, a cell cooling line for cooling the fuel cell and an exhaust heat recovery line for recovering heat from the cell cooling line, as shown in
前記のような技術においては、全く独立した2つのラインが熱交換器で接続されていたが、このような2つのラインを設けることは、常時排熱を利用することの可能な排熱理由率の高いシステムにあっては有効である。しかし、排熱利用率が低く、排熱回収ラインの規模や利用率が低いシステムにおいては、独立した2つのラインを設けることはシステム全体の構成が複雑になり、コストアップの要因となる。特に、従来技術では、熱交換器を介して2つのライン間の熱移動を行うことから、排熱を客先の放熱手段に直接供給する構成に比較してシステムが大型化すると共に、熱交換による損失も多く、熱利用率が低い、言い換えれば利用可能な熱エネルギーが少ないシステムには不適当であった。 In the technique described above, two completely independent lines are connected by a heat exchanger, but the provision of such two lines enables the constant utilization of waste heat. It is effective in a system with a high However, in a system where the exhaust heat utilization rate is low and the scale and utilization rate of the exhaust heat recovery line are low, the provision of two independent lines complicates the configuration of the entire system and causes an increase in cost. In particular, in the conventional technology, since heat is transferred between two lines via a heat exchanger, the system becomes larger than a configuration in which waste heat is directly supplied to the customer's heat dissipation means, and the heat exchange It is also unsuitable for systems with low heat utilization, in other words, with little available heat energy.
本実施形態の燃料電池システムは、上記の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、燃料電池で発生した排熱を単純な構成により効率よく利用可能とする燃料電池システムを提供する。 The fuel cell system of this embodiment has been proposed to solve the above-described problems of the prior art. provide the system.
実施形態の燃料電池システムは、次のような構成を有する。
(1)燃料電池本体からの冷却水を、放熱手段を経由して前記燃料電池本体に循環させる排熱回収ライン。
(2)前記燃料電池本体を冷却する冷却水を、前記放熱手段を経由することなく循環させる冷却ライン。
(3)前記燃料電池本体から流出した冷却水を前記排熱回収ラインと冷却ラインに分岐させる三方調整弁。
(4)前記三方調整弁の前記冷却ライン側と前記排熱回収ライン側に対する開度を制御する制御部。
(5)前記燃料電池本体から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段。
(6)前記制御部は、前記熱量検出手段によって検出された前記燃料電池本体から流出する冷却水の放熱能力に従って、前記冷却ライン側と前記排熱回収ライン側に対する開度を制御する。
(7)前記熱量検出手段が、燃料電池本体の運転状態の検出手段と、前記燃料電池本体の運転状態において燃料電池本体から流出する冷却水温度との対応関係を示すデータの記憶部である。
(8)前記制御部は、前記運転状態検出手段が検出した燃料電池本体の運転状態と、その運転状態に対応して前記記憶部に記憶されている冷却水温度のデータに基づいて、前記三方調整弁の開度を制御する。
The fuel cell system of the embodiment has the following configuration.
(1) An exhaust heat recovery line for circulating the cooling water from the fuel cell main body to the fuel cell main body via heat dissipation means.
(2) A cooling line for circulating cooling water for cooling the fuel cell main body without passing through the heat radiation means.
(3) A three-way control valve that branches the cooling water flowing out of the fuel cell main body to the exhaust heat recovery line and the cooling line.
(4) A control unit that controls opening degrees of the three-way control valve with respect to the cooling line side and the exhaust heat recovery line side.
(5) calorie detection means for detecting heat radiation capability of cooling water flowing out from the fuel cell main body;
(6) The control section controls the opening degrees of the cooling line side and the exhaust heat recovery line side according to the heat radiation capacity of the cooling water flowing out of the fuel cell main body detected by the heat quantity detecting means.
(7) The calorie detection means is a data storage unit that stores data indicating the correspondence relationship between the operation state detection means of the fuel cell body and the temperature of cooling water flowing out of the fuel cell body in the operation state of the fuel cell body.
(8) The control unit detects the operating state of the fuel cell body detected by the operating state detection means and the cooling water temperature data stored in the storage unit corresponding to the operating state. Controls the opening of the regulating valve.
以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The same parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate, and different parts will be described.
[1.第1実施形態]
[1-1.構成]
図1に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体1と、燃料電池本体1に対して冷却水を供給するポンプ2、燃料電池本体1によって加熱された冷却水の排熱を利用する放熱器3を結ぶ排熱回収ラインHLを備える。放熱器3としては、例えば、空冷ファン、ラジエター、熱交換器などの公知の放熱手段を適宜使用することができる。
[1. First Embodiment]
[1-1. Constitution]
As shown in FIG. 1, the fuel cell system of this embodiment includes a
燃料電池システムは、排熱回収ラインHLの放熱器3を経由することなく、排熱回収ラインHLのバイパスとして、燃料電池本体1とポンプ2との間で冷却水を循環させる冷却ラインBLを備える。排熱回収ラインHLと冷却ラインBLの分岐部分には、燃料電池本体1から流出する冷却水を2つのラインに分流する三方調整弁4が設けられる。
The fuel cell system includes a cooling line BL that circulates cooling water between the
三方調整弁4は、その開度を調整する制御部5を備える。制御部5は、手動或いは各種のセンサや検出器からのデータ、或いは燃料電池本体1の運転状況に関するデータに基づいて、冷却水の流れを排熱回収ラインHLと冷却ラインBLで切り換えたり、あるいは、排熱回収ラインHLと冷却ラインBLに流れる冷却水の流量配分を調整するための手段である。
The three-
本実施形態において、制御部5は、放熱器3に設けられた運転スイッチであって、システムの利用者が放熱器3において冷却水の排熱を利用するにあたってその運転スイッチを投入すると、三方調整弁4が排熱回収ラインHL側に切り換わり、冷却水が排熱回収ラインHL側に流れる。また、運転スイッチとして、強、中、弱などのように運転レベルが選択可能なものを使用した場合には、その運転レベルに応じて三方調整弁4の開度が変化して、排熱回収ラインHLに流れる冷却水の分流レベルが調整される。
In this embodiment, the
特に図示しないが、排熱回収ラインHLには、ユーザが利用する排熱のための放熱器3に加えて、従来公知の各種放熱器や熱交換器(例えば、ユーザ用熱交換器、機器保護用熱交換器)を設けることができる。また、燃料電池システムにおいて排熱回収ラインHLに設けられる各種装置、例えば、水処理装置、流量計、圧力弁、冷却水の漏洩監視装置、警報装置などを設けることもできる。
Although not shown in particular, in the exhaust heat recovery line HL, in addition to the
[1-2.作用・効果]
以上のような構成を有する本実施形態の燃料電池システムでは、排熱回収ラインHLに対して冷却ラインBLをバイパス接続したことにより、冷却ラインBLに対して熱交換器を介して排熱回収ラインHLを接続した従来技術に比較して熱交換器が不要となり、システムの構成が単純化する。また、排熱の利用時には、燃料電池本体1からの冷却水を直接放熱器3に供給することができるので、熱効率も良い。
[1-2. Action/effect]
In the fuel cell system of this embodiment having the configuration described above, the cooling line BL is bypass-connected to the exhaust heat recovery line HL. As compared with the conventional technology in which the HL is connected, no heat exchanger is required, which simplifies the system configuration. In addition, when the exhaust heat is used, the cooling water from the
本実施形態では、排熱が多い場合には冷却水を排熱回収ラインHLに流し、排熱が少ない場合には冷却水を冷却ラインBLに流すという処理を、三方調整弁4という比較的単純で小型の部品によって行える利点がある。そのため、本実施形態によれば、排熱の利用頻度が低い、すなわち、冷却水に含まれる排熱の熱量が少なく、コスト的あるいは使用頻度的な見地から大掛かりな排熱回収ラインHLを設けることが不可能なシステムであっても、排熱の効果的な利用が可能となる。
In this embodiment, the three-
更に、従来の小規模な燃料電池システムでは、利用する排熱量が少ないため、排熱回収ラインのみを設けて冷却水を常時放熱器3に供給することも考えられるが、放熱器3に常時冷却水を供給すると、燃料電池本体1の運転状況によっては放熱器3に温度の低い冷却水が供給され、ユーザが不快感を感じるような不都合が発生するが、本実施形態では、排熱回収ラインHLには放熱用の熱量を有する冷却水のみが供給されるので、そのような不都合は生じない。
Furthermore, in a conventional small-scale fuel cell system, since the amount of exhaust heat to be used is small, it is conceivable to provide only an exhaust heat recovery line to constantly supply cooling water to the
[2.第2実施形態]
図2に示す第2実施形態は、三方調整弁4の開度を自動的に調整するものである。本実施形態では、燃料電池本体1から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段として、燃料電池本体1の後段に温度計6が設けられる。制御部5は、温度計6の検出結果に基づいて三方調整弁4の開度を制御する。すなわち、温度計6によって燃料電池本体1から流出する冷却水の温度が高い場合には、利用できる排熱の熱量が大きいことから、制御部5は三方調整弁4を排熱回収ラインHL側に切り換え、高温の冷却水を放熱器3側に流して、ユーザが利用できるようにする。
[2. Second Embodiment]
2nd Embodiment shown in FIG. 2 adjusts the opening degree of the three-
この場合、制御部5は温度計6が検出した冷却水の温度が一定値以上の場合に、三方調整弁4を冷却ラインBL側から排熱回収ラインHL側に全部切り換えても良いし、予め設定した温度レベルに応じて三方調整弁4による分流量を調整しても良い。
In this case, when the temperature of the cooling water detected by the
このような構成を有する第2実施形態によれば、三方調整弁4の開度が燃料電池本体1から送出される冷却水の温度に応じて自動的に調整される。その結果、ユーザが特に燃料電池の運転状況を監視していなくても、利用できる排熱の熱量に応じて放熱器3に利用可能な熱量を有する冷却水が供給されるため、取り扱いが容易な排熱利用可能な燃料電池システムを得ることができる。
[3.第3実施形態]
図3に示す第3実施形態は、燃料電池本体1から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段として、放熱器3の後段に温度計6が設けられる。制御部5は、温度計6の検出結果に基づいて三方調整弁4の開度を制御する。すなわち、温度計6によって放熱器3から流出する冷却水の温度が高い場合には、放熱器3において廃熱を回収して利用した後であっても、排熱回収ラインHL内を流れる冷却水の温度が高い、言い換えると燃料電池本体1から送出された冷却水の温度が高いことが分かる。
According to the second embodiment having such a configuration, the degree of opening of the three-
[3. Third Embodiment]
In the third embodiment shown in FIG. 3, a
そこで、冷却水の利用できる排熱の熱量を放熱器3の後段の温度計6の検出結果から推測し、排熱の熱量が大きい場合には、制御部5は三方調整弁4を排熱回収ラインHL側に切り換え、高温の冷却水を放熱器3側に流して、ユーザが利用できるようにする。
Therefore, the heat quantity of exhaust heat that can be used by the cooling water is estimated from the detection result of the
このような構成を有する第3実施形態によれば、三方調整弁4の開度が放熱器3による排熱利用後の冷却水の温度に応じて自動的に調整される。その結果、第2実施形態と同様に、取り扱いが容易な排熱利用可能な燃料電池システムを得ることができる。また、放熱器3の後段という排熱利用箇所に近い部分の温度を検出することで、放熱器3の運転状況を加味した三方調整弁4の制御が可能となることから、ユーザの排熱利用量に応じた精度の高い流量調整が可能となる。
According to the third embodiment having such a configuration, the degree of opening of the three-
[4.第4実施形態]
図4に示す第4実施形態は、燃料電池本体1から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段として、燃料電池本体1の運転状況を利用したものである。すなわち、燃料電池本体1の運転状況に応じて燃料電池本体1の出口温度が決まるので、運転状況に応じた流量分が排熱回収ラインHLに流れるように三方調整弁4の開度を調整する。
[4. Fourth Embodiment]
The fourth embodiment shown in FIG. 4 utilizes the operating conditions of the
そのため、本実施形態では、熱量検出手段として、燃料電池本体1の運転状態の検出装置7を設ける。この検出装置7としては、燃料電池本体1の運転レベルやポンプ2の運転速度などを検出するものが使用できる。制御部5には、検出装置7が検出した燃料電池本体1の各運転状態において、燃料電池本体1から流出する冷却水温度との対応関係を示すデータの記憶部8が設けられる。
Therefore, in this embodiment, the operating
このような構成を有する本実施形態では、制御部5は、検出装置7が検出した燃料電池本体1の運転状態と、その運転状態に対応して記憶部8に記憶されている冷却水温度のデータに基づいて、三方調整弁4の開度を制御する。
In this embodiment having such a configuration, the
本実施形態によれば、三方調整弁4の開度が燃料電池本体1の運転状況に応じて自動的に調整される結果、第2実施形態と同様に、取り扱いが容易な排熱利用可能な燃料電池システムを得ることができる。また、第2実施形態や第3実施形態のような温度計6などの別機器を設けることなく、燃料電池本体1の運転状況の検出装置7も、燃料電池本体1やポンプ2の運転制御装置に設けられている検出装置を、そのまま利用することが可能である。
According to this embodiment, the degree of opening of the three-
[他の実施形態]
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
[Other embodiments]
Although several embodiments of the invention have been described above, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
HL…排熱回収ライン
BL…冷却ライン
1…燃料電池本体
2…ポンプ
3…放熱器
4…三方流調弁
5…制御部
6…温度計
7…運転状況の検出装置
8…記憶部
9a~9c…圧力計
HL Exhaust heat recovery line
Claims (4)
前記燃料電池本体を冷却する冷却水を、前記放熱手段を経由することなく循環させる冷却ラインと、
前記燃料電池本体から流出した冷却水を前記排熱回収ラインと冷却ラインに分岐させる三方調整弁と、
前記三方調整弁の前記冷却ライン側と前記排熱回収ライン側に対する開度を制御する制御部と、
前記燃料電池本体から流出する冷却水の持つ放熱能力を検出する熱量検出手段と、を備え、
前記制御部は、前記熱量検出手段によって検出された前記燃料電池本体から流出する冷却水の放熱能力に従って、前記冷却ライン側と前記排熱回収ライン側に対する開度を制御し、
前記熱量検出手段が、燃料電池本体の運転状態の検出手段と、前記燃料電池本体の運転状態において燃料電池本体から流出する冷却水温度との対応関係を示すデータの記憶部であり、
前記制御部は、前記運転状態検出手段が検出した燃料電池本体の運転状態と、その運転状態に対応して前記記憶部に記憶されている冷却水温度のデータに基づいて、前記三方調整弁の開度を制御することを特徴とする燃料電池システム。 an exhaust heat recovery line for circulating cooling water from a fuel cell body to the fuel cell body via a heat dissipation means ;
a cooling line for circulating cooling water for cooling the fuel cell main body without passing through the heat radiation means;
a three-way control valve for branching the cooling water flowing out of the fuel cell main body to the exhaust heat recovery line and the cooling line;
a control unit that controls opening degrees of the three-way control valve with respect to the cooling line side and the exhaust heat recovery line side ;
a calorie detection means for detecting the heat dissipation capability of the cooling water flowing out of the fuel cell body,
The control unit controls opening degrees to the cooling line side and the exhaust heat recovery line side according to the heat radiation capacity of the cooling water flowing out of the fuel cell main body detected by the heat amount detecting means,
wherein the heat amount detection means is a data storage unit that stores data indicating a correspondence relationship between the operating state detection means of the fuel cell body and the temperature of cooling water flowing out of the fuel cell body in the operating state of the fuel cell body;
The control unit controls the operation of the three-way control valve based on the operating state of the fuel cell body detected by the operating state detecting means and the cooling water temperature data stored in the storage unit corresponding to the operating state. A fuel cell system characterized by controlling the degree of opening .
前記制御部は、前記運転状態検出手段が検出した燃料電池本体の運転状態と、その運転状態に対応して前記記憶部に記憶されている冷却水温度のデータに基づいて、前記三方調整弁の開度を制御する請求項1に記載の燃料電池システム。 wherein the heat amount detection means is a data storage unit that stores data indicating a correspondence relationship between the operating state detection means of the fuel cell body and the temperature of cooling water flowing out of the fuel cell body in the operating state of the fuel cell body;
The control unit controls the operation of the three-way control valve based on the operating state of the fuel cell body detected by the operating state detecting means and the cooling water temperature data stored in the storage unit corresponding to the operating state. 2. The fuel cell system according to claim 1 , wherein the degree of opening is controlled.
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