WO2018105205A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2018105205A1
WO2018105205A1 PCT/JP2017/035202 JP2017035202W WO2018105205A1 WO 2018105205 A1 WO2018105205 A1 WO 2018105205A1 JP 2017035202 W JP2017035202 W JP 2017035202W WO 2018105205 A1 WO2018105205 A1 WO 2018105205A1
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refrigerant
fuel cell
cell system
cooling water
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篤樹 生駒
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ブラザー工業株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a fuel cell system including a fuel cell stack that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen, a refrigerant flow path through which a refrigerant that cools the fuel cell stack flows, and a tank provided in the refrigerant flow path.
  • the fuel cell includes a fuel cell stack as a power generation unit that generates electricity by chemically reacting hydrogen and oxygen supplied from outside.
  • heat is generated at the time of power generation, so it is necessary to cool the fuel cell stack.
  • the fuel cell stack is cooled by forming a flow path through which a coolant such as water circulates.
  • the water circulating through the flow path flows through the inside of the fuel cell stack.
  • the water in which heat is conducted from the fuel cell stack during power generation is cooled by radiating heat with a heat exchanger such as a radiator, and flows into the fuel cell stack again.
  • the fuel cell system described in Patent Document 1 discharges cooling water in the fuel cell stack to a cooling water tank when power generation of the fuel cell stack is stopped.
  • a differential pressure valve that sets the pressure in the tank lower than the atmospheric pressure by a predetermined pressure is provided in the cooling water tank.
  • an air valve for discharging the cooling water in the cooling chamber to the cooling water tank by introducing air into the cooling chamber of the fuel cell stack is provided in the cooling path.
  • This disclosure is intended to provide a fuel cell system capable of preventing a decrease in the refrigerant amount.
  • the fuel cell system operates to circulate the refrigerant in the refrigerant flow path through which the refrigerant that cools the power generation unit that generates power by reacting hydrogen and oxygen flows.
  • a circulation pump ; a heat exchanger for exchanging heat with the refrigerant in the refrigerant flow path; a tank disposed in the refrigerant flow path at a position vertically below the power generation unit; An air flow path connected to the refrigerant flow path and having the other end connected to the tank; and a first on-off valve provided in the air flow path to open or close the air flow path, A part of the air flow path is arranged at a position higher than the uppermost part in the vertical direction of the refrigerant flow path.
  • one end of the air flow path is further connected to the refrigerant flow path at a position downstream of the heat exchanger and upstream of the power generation unit in the flow direction of the refrigerant in the refrigerant flow path. It is characterized by that.
  • the fuel cell system is further provided in the refrigerant channel at a position downstream of the heat exchanger and upstream of the power generation unit in the refrigerant flow direction in the refrigerant channel, and circulates through the refrigerant channel.
  • An ion exchange resin for removing ions from the refrigerant wherein one end of the air flow path is located at a position downstream of the heat exchanger and upstream of the ion exchange resin in the flow direction of the refrigerant in the refrigerant flow path. It is connected to a refrigerant flow path.
  • the fuel cell system is further characterized in that one end of the air flow path is connected to the refrigerant flow path at a position vertically above the ion exchange resin.
  • the fuel cell system is further characterized in that one end of the air flow path is connected to the top in the vertical direction of the refrigerant flow path.
  • the fuel cell system is further characterized in that one end of the air flow path is connected to the refrigerant flow path from above.
  • the fuel cell system is further characterized in that the number of the first on-off valves provided in the air flow path is one.
  • the fuel cell system is further characterized in that the first on-off valve is a normally open solenoid valve.
  • the fuel cell system is further characterized in that a flow passage cross-sectional area of the air flow passage is smaller than a flow passage cross-sectional area of the refrigerant flow passage.
  • the fuel cell system further has one end connected to the refrigerant flow path at a position downstream of the ion exchange resin in the refrigerant flow direction in the refrigerant flow path and vertically below the ion exchange resin, and the other end. Is provided with a refrigerant bypass path connected to the tank, and a second on-off valve provided in the refrigerant bypass path to open or close the refrigerant bypass path.
  • the fuel cell system is further characterized in that the second on-off valve is a normally open solenoid valve.
  • the air in the tank is introduced into the refrigerant channel via the air channel, and the refrigerant in the refrigerant channel is introduced into the tank. .
  • the refrigerant flow path does not communicate with the atmosphere, and the vaporized refrigerant is prevented from being released to the atmosphere.
  • the refrigerant flows into the air flow path when the first on-off valve is opened. Therefore, the air in the tank can be reliably introduced into the refrigerant channel through the air channel.
  • the refrigerant can be more reliably introduced into the tank by connecting the air flow path between the heat exchanger and the power generation unit.
  • the heat exchanger and the power generation unit have a large flow path resistance because the internal flow path is long and complicated. For this reason, it is possible to easily introduce the refrigerant in the heat exchanger and the refrigerant in the power generation unit into the tank by connecting the air flow path between the heat exchanger and the power generation unit.
  • the refrigerant can be more reliably introduced into the tank by connecting the air flow path between the heat exchanger and the ion exchange resin.
  • an ion exchange resin has a large flow path resistance because a filter is provided inside. Therefore, the refrigerant in the ion exchange resin can be easily introduced into the tank by connecting the air flow path between the heat exchanger and the ion exchange resin.
  • the air flow path is connected to the refrigerant flow path at a position vertically above the ion exchange resin, thereby introducing the air in the tank into the ion exchange resin.
  • the refrigerant inside can be easily introduced into the tank.
  • the refrigerant in the entire refrigerant channel can be reliably introduced into the tank.
  • the refrigerant is unlikely to enter the air flow path because one end of the air flow path is connected to the refrigerant flow path from above. For this reason, a refrigerant
  • the air in the tank is introduced into the refrigerant flow path by simply opening one on-off valve. For this reason, the number of parts can be reduced and the cost can be kept low.
  • the first on-off valve is a normally open type, even when the power is shut off without receiving a water draining instruction, the first on-off valve is opened and the refrigerant is supplied. Can be introduced into the tank.
  • the flow passage cross-sectional area of the air flow passage is smaller than the flow passage cross-sectional area of the refrigerant flow passage, so that it is difficult for the refrigerant to enter the air flow passage. For this reason, a refrigerant
  • coolant can be more reliably introduce
  • parts such as air passage pipes and joints can be reduced, and the fuel cell system can be made compact.
  • the refrigerant in the ion exchange resin can be introduced into the tank without going through the power generation unit. For this reason, the refrigerant in the ion exchange resin can be more reliably introduced into the tank.
  • the second on-off valve is a normally open type, even when the power is shut off without receiving a water draining instruction, the second on-off valve is opened and the refrigerant is supplied. Can be introduced into the tank.
  • the fuel cell system 1 is, for example, a polymer-electrolyte fuel cell.
  • a fuel cell system 1 includes a fuel cell stack (hereinafter referred to as a stack) 2 that generates electric power by a reaction of hydrogen and oxygen, a cooling water flow path 3, a heat radiation liquid flow path 4, a heating liquid flow path 5, and an air flow path 6. And a cooling water bypass path 7. Since a hydrogen supply unit that supplies hydrogen to the stack 2 and an oxygen supply unit that supplies oxygen are known from Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-151405, the display in the drawing is omitted.
  • the cooling water passage 3 is provided with a cooling water tank 8, a cooling pump 9, a first heat exchanger 10, a second heat exchanger 11, an ion exchange resin 12, and a conductivity meter 13.
  • the cooling water channel 3 is a tubular member, and cooling water as a refrigerant flows through the inside of the cooling water channel 3.
  • the cooling water delivered from the cooling pump flows through the first heat exchanger 10, the second heat exchanger 11, and the ion exchange resin 12 in order, and the conductivity is measured by the conductivity meter 13, and then to the stack 2. be introduced.
  • the cooling water discharged through the flow path in the stack 2 is stored in the cooling water tank 8 and then returns to the cooling pump 9 again.
  • the cooling pump 9 When the cooling pump 9 is operated, the cooling water circulates through the cooling water flow path 3.
  • the cooling water tank 8 and the cooling pump 9 are arranged at substantially the same height in the vertical direction.
  • the cooling water tank 8 and the cooling pump 9 are arranged below the stack 2, the first heat exchanger 10, the second heat exchanger 11, and the ion exchange resin 12 in the vertical direction.
  • the first heat exchanger 10 is disposed vertically below the second heat exchanger 11.
  • the cooling water tank 8 has a volume larger than the entire volume of the cooling water flow path 3 excluding the cooling water tank 8.
  • the ion exchange resin 10 has a filter inside, and removes ions from the cooling water in the cooling water flow path 3.
  • electricity generated by the stack 2 leaks through the cooling water, and the power generation efficiency of the stack 2 decreases.
  • the ion exchange resin 12 and the conductivity meter 13 are arranged on the upstream side of the stack 2 in the flow direction of the cooling water, and the ion concentration of the cooling water is monitored by the conductivity meter 13.
  • the radiator fluid passage 4 is provided with a radiator 14 and a radiator pump 15 through which a radiator fluid as a heat medium flows.
  • the heat-radiating liquid flow path 4 is formed so that the heat-radiating liquid sent from the heat-dissipating pump 15 flows through the first heat exchanger 10, then flows through the radiator 14, and returns to the heat-dissipating pump 14.
  • the heat dissipation liquid exchanges heat with the cooling water in the cooling water flow path 3 in the first heat exchanger 10.
  • an antifreeze liquid such as ethylene glycol is used.
  • the heating liquid channel 5 is provided with a heating pump 16 and a heater 17 through which heating liquid as a heat medium flows.
  • the heating liquid flow path 5 is formed so that the heating liquid sent from the heating pump 16 flows through the heater 17, then flows through the second heat exchanger 11, and returns to the heating pump 16.
  • the heating liquid exchanges heat with the cooling water in the cooling water flow path 3 in the second heat exchanger 11.
  • an antifreeze liquid such as ethylene glycol is used.
  • a part of the heating liquid channel 5 is arranged close to the surfaces of the cooling water tank 8 and the cooling pump 9. Further, a part of the heating liquid channel 5 is arranged close to the cooling water channel 3 so as to be particularly along a portion where the cooling water tends to remain. This is because, in the water draining process described later, even if a part of the cooling water remains in the cooling water flow path 3 and freezes, it is thawed when electric power is supplied from the external power source.
  • the external power source is a storage battery that is provided for power supply when the fuel cell system 1 is started.
  • the heating liquid flow path 5 may be arrange
  • the air flow path 6 is a flow path that connects the cooling water flow path 3 and the cooling water tank 8 and is not open to the atmosphere.
  • the air flow path 6 is a tubular member.
  • One end of the air flow path 6 is on the downstream side of the second heat exchanger 11 and the upstream side of the ion exchange resin 12 in the flow direction of the cooling water in the cooling water flow path 3 and on the top in the vertical direction of the cooling water flow path 3. Connected from above.
  • the other end of the air flow path 6 is connected to the upper surface of the cooling water tank 8.
  • the other end of the air flow path 6 may be connected to a position higher than the liquid level inside the cooling water tank 8.
  • the air flow path 6 is disposed so as to pass through a position higher than the uppermost part of the cooling water flow path 3.
  • One air shutoff valve 18 is provided at one end of the air flow path 6.
  • the air shut-off valve 18 is a normally open type electromagnetic valve. Specifically, the air shut-off valve 18 is controlled to be in a closed state during power generation, and is controlled to be in an open state when the power is shut off and during the draining process.
  • the cross-sectional area of the air flow path 6 is smaller than the cross-sectional area of the cooling water flow path 3.
  • the air flow path 6 is constituted by a pipe having an inner diameter of 6 mm
  • the cooling water flow path 3 is constituted by a pipe having an inner diameter of 8 mm.
  • the cooling water bypass channel 7 is a pipe connecting the cooling water channel 3 and the cooling water tank 8.
  • One end of the cooling water bypass flow path 7 is downstream of the ion exchange resin 12 and upstream of the conductivity meter 13 in the flow direction of the cooling water of the cooling water flow path 3, and more than the ion exchange resin 12 and the conductivity meter 13. Connected vertically downward.
  • the other end of the cooling water bypass channel 7 is connected to the upper surface of the cooling water tank 8.
  • a bypass valve 19 is disposed in the middle of the cooling water bypass flow path 7.
  • the bypass valve 19 is a normally open type electromagnetic valve. Specifically, the bypass valve 19 is controlled to be in a closed state during power generation, and is controlled to be in an open state when the power is shut off and during the draining process.
  • the fuel cell system 1 When the fuel cell system 1 configured as described above receives an instruction for power generation from, for example, an external device, the fuel cell system 1 generates power by supplying hydrogen to the stack 2 from the hydrogen supply unit and also supplying oxygen from the oxygen supply unit.
  • the external device is a switch that receives a user operation.
  • the external device is a remote control device.
  • the fuel cell system 1 includes a receiving device that receives a power generation instruction sent from the remote control device.
  • the fuel cell system 1 operates the cooling pump 9, the heat dissipation pump 15, and the heating pump 16.
  • the cooling water circulates in the cooling water flow path 3
  • the heat radiating liquid circulates in the heat radiating liquid flow path 4
  • the heating liquid circulates in the heating liquid flow path 5.
  • the air shut-off valve 18 and the bypass valve 19 are closed during power generation in the stack 2.
  • the reaction generated by the power generation in the stack 2 is an exothermic reaction, and the stack 2 is cooled by the cooling water flowing through the cooling water flow path 3.
  • the heat of the cooling water discharged from the stack 2 is conducted to the heat radiating liquid in the heat radiating liquid passage 4 in the first heat exchanger 10, and the heat radiating liquid releases heat in the radiator 14.
  • the heat of the cooling water that has passed through the first heat exchanger 10 and introduced into the second heat exchanger 11 is conducted to the heating liquid in the heating liquid flow path 5 in the second heat exchanger 11.
  • the heat conducted to the heating liquid is conducted to the cooling water tank 8 and the portion of the cooling water flow path 3 that is disposed in the vicinity.
  • the parts arranged close to each other are the cooling water flow path 3 between the cooling water tank 8 and the cooling pump 9 and the cooling pump 9.
  • the heat conducted to the heating liquid is also conducted to the cylinder. Since the reaction when the hydrogen storage alloy releases hydrogen is an endothermic reaction, the cylinder incorporating the hydrogen storage alloy can release hydrogen by conducting heat from the heating liquid.
  • the fuel cell system 1 When the fuel cell system 1 receives an instruction to stop power generation from an external device or the like, the fuel cell system 1 stops supplying hydrogen and oxygen to the stack 2 and enters a standby state.
  • the standby state is a state in which power is supplied to the fuel cell system 1 and power generation is stopped.
  • the cooling water In the standby state, for example, when the outside air temperature is below freezing, the cooling water may freeze. When the cooling water freezes, the cooling water expands, and parts such as the stack 2 may be damaged. For this reason, in the standby state, the fuel cell system 1 operates the cooling pump 9 and the heating pump 16 to exchange heat between the heating liquid and the cooling water in the second heat exchanger 11 to prevent the cooling water from freezing. Further, the fuel cell system 1 operates the heater 17.
  • the cooling pump 9, the heating pump 16, and the heater 17 cannot be operated, for example, when the power is shut off during maintenance or long-term storage of the fuel cell system 1. For this reason, when the fuel cell system 1 receives an instruction to shut off the power source from an external device or the like, the fuel cell system 1 performs a draining process before shutting off the power source.
  • the fuel cell system 1 stops the cooling pump 9 when the cooling pump 9 is operating when receiving an instruction to drain water from an external device or the like in a standby state. Further, the air shutoff valve 18 and the bypass valve 19 are opened.
  • the air in the cooling water tank 8 is introduced into the cooling water passage 3 through the air passage 6 and the air shutoff valve 18.
  • the air introduced into the cooling water channel 3 enters the ion exchange resin 12, and the cooling water in the ion exchange resin 12 enters the cooling water tank 8 through the bypass channel 7.
  • the air introduced into the cooling water flow path 3 enters the second heat exchanger 11 and the first heat exchanger 10, and the cooling water in the second heat exchanger 11 and the first heat exchanger 10 is Then, it enters the cooling water tank 8 through the cooling pump 9.
  • all the cooling water in the cooling pump 9 does not necessarily have to be discharged to the cooling water tank 8, and a part of the cooling water may remain in the cooling pump 9.
  • Part of the air that has passed through the ion exchange resin 12 enters the stack 2 via the conductivity meter 13, and the cooling water in the stack 2 enters the cooling water tank 8.
  • the cooling water in the components such as the stack 2 can be discharged to the cooling water tank 8, so that even if the outside air temperature is below freezing point, the stack 2 Etc. can be prevented.
  • the cooling water freezes in the cooling water tank 8
  • the cooling water tank 8 has a volume larger than the entire volume of the cooling water flow path 3 excluding the cooling water tank 8, and therefore is not damaged.
  • the heating pump 16 and the heater 17 are operated to operate the heater.
  • the cooling water can be thawed by the heat of 17.
  • the fuel cell system 1 enters a standby state when the cooling water is thawed.
  • the cooling water passage 3 is not communicated with the atmosphere, and the cooling water in the cooling water passage 3 is introduced into the cooling water tank 9. For this reason, it is prevented that the vaporized cooling water is discharged into the atmosphere.
  • the amount of the cooling water is prevented from decreasing, and the cooling effect of the stack 2 can be maintained. Further, the frequency of replenishing the cooling water by maintenance can be reduced.
  • cooling water flow path 3 and the atmosphere do not communicate with each other, it is possible to prevent dust, dirt, foreign matter, and the like from entering the cooling water flow path 3 from the air. For this reason, the frequency which replaces cooling water by maintenance, and the frequency which replenishes can be reduced.
  • one end of the cooling water bypass passage 7 is connected to the cooling water flow passage 3 at a position downstream of the ion exchange resin 12 in the flow direction of the cooling water in the cooling water flow passage 3 and vertically below the ion exchange resin 12.
  • the cooling water in the ion-exchange resin 12 having a large flow path resistance, which is provided inside, can be reliably introduced into the cooling water tank 8 through the cooling water bypass flow path 7.
  • the air shutoff valve 18 and the bypass valve 19 are normally open solenoid valves even when the power is shut off without receiving a water draining instruction from an external device or the like. It will be in an open state and a draining process can be implemented.
  • Stack 2 is an example of a power generation unit.
  • the cooling water channel 3 is an example of a refrigerant channel.
  • the cooling water bypass path 7 is an example of a refrigerant bypass path.
  • the cooling water tank 8 is an example of a tank.
  • the cooling pump 9 is an example of a circulation pump.
  • the first heat exchanger 10 and the second heat exchanger 11 are examples of heat exchangers.
  • the air shut-off valve 18 is an example of a first on-off valve.
  • the bypass valve 19 is an example of a second on-off valve.

Abstract

冷媒量の減少を防止することができる燃料電池システムを提供する。燃料電池システムは、発電部と、発電部を冷却する冷媒が通流する冷媒流路と、発電部よりも鉛直方向下方の位置で冷媒流路に配置され冷媒を貯蔵するタンクと、冷媒流路の鉛直方向最上部とタンクとを接続する空気流路と、空気流路の設けられる開閉弁とを備える。開閉弁が開状態にされることにより、タンク内の空気は空気流路を介して冷媒流路に導入され、冷媒流路の冷媒はタンクに導入される。冷媒流路が大気と連通することがないので、気化した冷媒が大気に放出されることが防止され、冷媒量の減少を防止することができる。

Description

燃料電池システム
　本開示は、水素及び酸素を反応させて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックを冷却する冷媒が通流する冷媒流路と、冷媒流路に設けられるタンクとを備える燃料電池システムに関する。
　燃料電池は、外部から供給される水素及び酸素を化学反応させることにより発電する発電部としての燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックにおいては、発電時に熱が発生するので、冷却を行う必要がある。燃料電池スタックの冷却は、例えば水などの冷媒が循環する流路を形成することにより行われる。該流路を循環する水は、燃料電池スタックの内部を通流する。発電中の燃料電池スタックから熱が伝導された水は、例えばラジエータなどの熱交換器により放熱されることで冷却され、再度燃料電池スタックに流入する。
　従来の燃料電池システムの一例として、特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電停止時に、燃料電池スタック内の冷却水を冷却水タンクへ排出する。この燃料電池システムにおいて、タンク内の圧力を大気に対して所定圧だけ低く設定する差圧バルブが冷却水タンクに設けられている。また、燃料電池スタックの冷却室に空気を導入することによって冷却室内の冷却水を冷却水タンクに排出するためのエアバルブが冷却路に設けられている。
特開２００４－２２４３６号公報
　しかしながら、特許文献１のシステムにおいては、エアバルブが開状態にされて冷却路に空気が導入され、差圧バルブを介して冷却水タンク内の空気が大気に放出されるときに、冷媒である水が気化して大気に放出される。このため、エアバルブの開放に伴い冷媒の量が減少してしまう可能性があった。冷媒量が減少することにより、燃料電池スタックの冷却効果が低下したり、メンテナンスにより冷媒を補充する頻度が増えてしまう可能性があった。
　本開示は、冷媒量の減少を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
　この目的を達成するために、燃料電池システムは、水素及び酸素を反応させて発電する発電部を冷却する冷媒が通流する冷媒流路と、前記冷媒流路において冷媒を循環させるために作動する循環ポンプと、前記冷媒流路内の冷媒と熱交換を行う熱交換器と、前記発電部よりも鉛直方向下方の位置で前記冷媒流路に配置され、冷媒を貯蔵するタンクと、一端が前記冷媒流路に接続され、他端が前記タンクに接続される空気流路と、前記空気流路に設けられ、前記空気流路を開状態、又は閉状態にする第１開閉弁とを備え、前記空気流路の一部は、前記冷媒流路の鉛直方向最上部よりも高い位置に配置されることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記空気流路の一端は、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記発電部の上流側の位置で前記冷媒流路に接続されることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記発電部の上流側の位置で前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒流路を循環する冷媒からイオンを除去するイオン交換樹脂を備え、前記空気流路の一端は、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記イオン交換樹脂の上流側の位置で前記冷媒流路に接続されることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記空気流路の一端は、前記イオン交換樹脂よりも鉛直方向上方の位置で前記冷媒流路に接続されることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記空気流路の一端は、前記冷媒流路の鉛直方向最上部に接続されることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記空気流路の一端は、前記冷媒流路に、上方から接続されることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記空気流路に設けられる前記第１開閉弁の数は１つであることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記第１開閉弁はノーマルオープン型の電磁弁であることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記空気流路の流路断面積は、前記冷媒流路の流路断面積よりも小さいことを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、一端が前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記イオン交換樹脂の下流側かつ前記イオン交換樹脂よりも鉛直方向下方の位置で前記冷媒流路に接続され、他端が前記タンクに接続される冷媒バイパス路と、前記冷媒バイパス路に設けられ、前記冷媒バイパス路を開状態、又は閉状態にする第２開閉弁とを備えることを特徴とするものである。
　燃料電池システムは、更に、前記第２開閉弁はノーマルオープン型の電磁弁であることを特徴とするものである。
　燃料電池システムによれば、第１開閉弁が開状態にされることにより、タンク内の空気は空気流路を介して冷媒流路に導入され、冷媒流路内の冷媒はタンクに導入される。このため、冷媒流路が大気と連通することがなく、気化した冷媒が大気に放出されることが防止される。また、空気流路の一部は、冷媒流路の鉛直方向最上部よりも高い位置に配置されるため、第１開閉弁が開状態にされる際に、空気流路に冷媒が流入することがなく、空気流路を介してタンク内の空気を確実に冷媒流路に導入することができる。
　また、燃料電池システムによれば、空気流路が熱交換器と発電部との間に接続されることにより、冷媒を、より確実にタンクに導入することができる。一般的に、熱交換器と発電部とは、内部の流路が長く複雑になっているため流路抵抗が大きい。このため、空気流路が熱交換器と発電部との間に接続されることで、熱交換器内の冷媒及び発電部内の冷媒をタンクに導入しやすくすることができる。
　また、燃料電池システムによれば、空気流路が熱交換器とイオン交換樹脂との間に接続されることにより、冷媒を、より確実にタンクに導入することができる。一般的に、イオン交換樹脂は、内部にフィルタが設けられているため流路抵抗が大きい。このため、空気流路が熱交換器とイオン交換樹脂との間に接続されることで、イオン交換樹脂内の冷媒をタンクに導入しやすくすることができる。
　また、燃料電池システムによれば、空気流路がイオン交換樹脂よりも鉛直方向上方の位置で冷媒流路に接続されることにより、タンク内の空気をイオン交換樹脂内に導入し、イオン交換樹脂内の冷媒をタンクに導入しやすくすることができる。
　また、燃料電池システムによれば、冷媒流路の鉛直方向最上部から空気が導入されることにより、冷媒流路全体の冷媒を確実にタンクに導入することができる。
　また、燃料電池システムによれば、空気流路の一端が冷媒流路に上方から接続されることにより、空気流路に冷媒が入り難い。このため、より確実に冷媒をタンクに導入することができる。
　また、燃料電池システムによれば、１つの開閉弁を開状態にするだけで、タンク内の空気は冷媒流路に導入される。このため、部品点数を少なくし、コストを低く抑えることができる。
　また、燃料電池システムによれば、第１開閉弁はノーマルオープン型なので、水抜き処理の指示を受けることなく電源が遮断された場合であっても、第１開閉弁は開状態となり、冷媒をタンクに導入することができる。
　また、燃料電池システムによれば、空気流路の流路断面積は冷媒流路の流路断面積よりも小さいため、空気流路に冷媒が入り難い。このため、より確実に冷媒をタンクに導入することができる。また、空気流路の配管や継手等の部品を小さくすることができ、燃料電池システムをコンパクトにすることができる。
　また、燃料電池システムによれば、イオン交換樹脂内の冷媒を、発電部を介すことなくタンクに導入することができる。このため、イオン交換樹脂内の冷媒をより確実にタンクに導入することができる。
　また、燃料電池システムによれば、第２開閉弁はノーマルオープン型なので、水抜き処理の指示を受けることなく電源が遮断された場合であっても、第２開閉弁は開状態となり、冷媒をタンクに導入することができる。
一実施形態における燃料電池システムの各構成の配置を示す概念図である。
　以下、本開示の一実施形態について図面を参照して説明する。
　燃料電池システム１は例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell）等である。燃料電池システム１は、水素及び酸素の反応により発電する燃料電池スタック（以下、スタックという）２と、冷却水流路３と、放熱液流路４と、加熱液流路５と、空気流路６と、冷却水バイパス路７とを備える。スタック２に水素を供給する水素供給部及び酸素を供給する酸素供給部は、特許文献１によって公知であるので、図中での表示は省略している。
　冷却水流路３には、冷却水タンク８、冷却ポンプ９、第１熱交換器１０、第２熱交換器１１、イオン交換樹脂１２、及び導電率計１３が設けられる。冷却水流路３は、管状の部材であって、冷却水流路３の内部を冷媒としての冷却水が通流する。冷却ポンプから送出される冷却水は、第１熱交換器１０、第２熱交換器１１、及びイオン交換樹脂１２を順に通流し、導電率計１３により導電率が測定された後、スタック２へ導入される。スタック２内の通流路を通流して排出される冷却水は、冷却水タンク８に貯留された後、再び冷却ポンプ９に戻る。冷却ポンプ９が作動することにより、冷却水は冷却水流路３を循環する。
　冷却水タンク８及び冷却ポンプ９は、鉛直方向に略同じ高さに配置される。冷却水タンク８及び冷却ポンプ９は、スタック２、第１熱交換器１０、第２熱交換器１１、及びイオン交換樹脂１２よりも鉛直方向下方に配置される。第１熱交換器１０は、第２熱交換器１１よりも鉛直方向下方に配置される。
　冷却水流路３のうち、冷却水タンク８と冷却ポンプ９とを繋ぐ部分の、冷却水タンク８に接続される側の一端は、冷却水タンク８の側面の下端に接続される。また、冷却水流路３のうち、スタック２と冷却水タンク８とを繋ぐ部分の、冷却水タンク８に接続される側の一端は、冷却水タンク８の上面に接続される。冷却水タンク８は、冷却水タンク８を除く冷却水流路３全体の容積よりも大きい容積を備える。
　イオン交換樹脂１０は、内部にフィルタを備え、冷却水流路３内の冷却水からイオンを除去する。スタック２を冷却する冷却水のイオン濃度が高くなると、スタック２で発電した電気が冷却水を通してリークしてしまい、スタック２の発電効率が低下する。このため、イオン交換樹脂１２及び導電率計１３を、冷却水の流れ方向におけるスタック２の上流側に配置し、導電率計１３により冷却水のイオン濃度を監視する。
　放熱液流路４には、ラジエータ１４及び放熱ポンプ１５が設けられ、熱媒体としての放熱液が通流する。放熱液流路４は、放熱ポンプ１５から送出された放熱液が第１熱交換器１０を通流した後、ラジエータ１４を通流し、放熱ポンプ１４に戻るように形成されている。放熱液は、第１熱交換器１０において冷却水流路３内の冷却水と熱交換を行う。放熱液として、例えばエチレングリコール等の不凍液を用いる。
　加熱液流路５には、加熱ポンプ１６及びヒータ１７が設けられ、熱媒体としての加熱液が通流する。加熱液流路５は、加熱ポンプ１６から送出された加熱液がヒータ１７を通流した後、第２熱交換器１１を通流し、加熱ポンプ１６に戻るように形成されている。加熱液は、第２熱交換器１１において冷却水流路３内の冷却水と熱交換を行う。加熱液として、例えばエチレングリコール等の不凍液を用いる。
　加熱液流路５の一部は、冷却水タンク８及び冷却ポンプ９の表面に沿うように近接して配置される。また、加熱液流路５の一部は、冷却水流路３のうち、特に冷却水が残りやすい部分に沿うように近接して配置される。これは、後述する水抜き処理時において、仮に冷却水の一部が冷却水流路３内に残り凍結した場合であっても、外部電源により電力が供給された場合に解凍するためである。外部電源は、一例として燃料電池システム１の起動における電力供給のために備えられた蓄電池である。また、水素供給部として水素吸蔵合金を内蔵したボンベが用いられる場合には、加熱液流路５は、ボンベに近接して配置されてもよい。
　空気流路６は、冷却水流路３と冷却水タンク８とを接続し、大気に開放されない流路である。具体的に、空気流路６は管状の部材である。空気流路６の一端は、冷却水流路３の冷却水の流れ方向における第２熱交換器１１の下流側かつイオン交換樹脂１２の上流側、かつ、冷却水流路３の鉛直方向最上部に、上方から接続される。空気流路６の他端は、冷却水タンク８の上面に接続される。空気流路６の他端は、冷却水タンク８内部の液面より高い位置に接続されていればよい。空気流路６は、冷却水流路３の最上部よりも高い位置を通るように配置される。空気流路６の一端には、一個の空気遮断弁１８が設けられる。空気遮断弁１８は、ノーマルオープン型の電磁弁である。具体的に空気遮断弁１８は、発電中は閉状態に制御され、電源が遮断されている時と水抜き処理時とは開状態に制御される。空気流路６の流路断面積は、冷却水流路３の流路断面積よりも小さい。例えば、空気流路６は内径６ｍｍの配管で構成され、冷却水流路３は内径８ｍｍの配管で構成される。
　冷却水バイパス流路７は、冷却水流路３と冷却水タンク８とを接続する配管である。冷却水バイパス流路７の一端は、冷却水流路３の冷却水の流れ方向におけるイオン交換樹脂１２の下流側かつ導電率計１３の上流側、かつ、イオン交換樹脂１２及び導電率計１３よりも鉛直方向下方に接続される。冷却水バイパス流路７の他端は、冷却水タンク８の上面に接続される。冷却水バイパス流路７の途中には、バイパス弁１９が配置される。バイパス弁１９は、ノーマルオープン型の電磁弁である。具体的にバイパス弁１９は、発電中は閉状態に制御され、電源が遮断されている時と水抜き処理時とは開状態に制御される。
　上記の構成の燃料電池システム１は、例えば外部装置等から発電の指示を受けた場合、スタック２に、水素供給部から水素を供給し、同じく酸素供給部から酸素を供給することにより、発電する。一例として、外部装置は、ユーザの操作を受け付けるスイッチである。別の例として、外部装置は、リモコン装置である。この時、燃料電池システム１はリモコン装置から送られる発電の指示を受け付ける受信装置が備えられる。
　燃料電池システム１は、冷却ポンプ９、放熱ポンプ１５、及び加熱ポンプ１６を作動させる。これにより、冷却水は冷却水流路３を循環し、放熱液は放熱液流路４を循環し、加熱液は加熱液流路５を循環する。尚、スタック２における発電時には、空気遮断弁１８及びバイパス弁１９は閉状態である。
　スタック２における発電で生じる反応は発熱反応であり、スタック２は冷却水流路３内を通流する冷却水により冷却される。スタック２から排出された冷却水の熱は、第１熱交換器１０において放熱液流路４の放熱液に伝導され、該放熱液はラジエータ１４において熱を放出する。
　第１熱交換器１０を通過し、更に第２熱交換器１１へと導入された冷却水の熱は、第２熱交換器１１において加熱液流路５の加熱液へ伝導される。加熱液へ伝導された熱は、冷却水タンク８と、冷却水流路３のうち近接して配置された部分とに伝導される。一例として近接して配置されている部分とは、冷却水タンク８と冷却ポンプ９との間の冷却水流路３、及び冷却ポンプ９である。また、水素供給部として水素吸蔵合金を内蔵したボンベが用いられる場合には、加熱液へ伝導された熱はボンベにも伝導される。水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応であるため、水素吸蔵合金を内蔵したボンベは、加熱液から熱を伝導されることにより水素を放出することができる。
　燃料電池システム１は、外部装置等から発電停止の指示を受けた場合、スタック２への水素及び酸素の供給を停止し、待機状態となる。具体的に待機状態は、燃料電池システム１に電力が供給され、且つ、発電が停止ししている状態である。待機状態において、例えば、外気温が氷点下の場合、冷却水が凍結する虞がある。冷却水が凍結した場合、冷却水が膨張することにより、スタック２等の部品が破損してしまう虞がある。このため、燃料電池システム１は、待機状態において、冷却ポンプ９及び加熱ポンプ１６を作動させ、第２熱交換器１１において加熱液と冷却水とを熱交換させ、冷却水の凍結を防止する。さらに、燃料電池システム１はヒータ１７を作動させる。
　しかしながら、例えば燃料電池システム１のメンテナンス時や長期保管時などで電源が遮断される場合には、冷却ポンプ９、加熱ポンプ１６、及びヒータ１７を作動させることができない。このため、燃料電池システム１は、外部装置等から電源を遮断する指示を受けると電源を遮断する前に水抜き処理を実施する。
　燃料電池システム１は、待機状態において外部装置等から水抜き処理の指示を受けた場合、冷却ポンプ９が作動している場合には、冷却ポンプ９を停止させる。また、空気遮断弁１８とバイパス弁１９とを開状態にする。
　冷却水タンク８内の空気は、空気流路６及び空気遮断弁１８を介して、冷却水流路３に導入される。冷却水流路３内に導入された空気は、イオン交換樹脂１２内に進入し、イオン交換樹脂１２内の冷却水はバイパス流路７を介して冷却水タンク８へと進入する。また、冷却水流路３内に導入された空気は、第２熱交換器１１及び第１熱交換器１０内に進入し、第２熱交換器１１及び第１熱交換器１０内の冷却水は、冷却ポンプ９を介して冷却水タンク８へと進入する。この場合、冷却ポンプ９内の冷却水は、必ずしも全て冷却水タンク８へと排出されなければならないわけではなく、一部は冷却ポンプ９内に留まっていてもよい。また、イオン交換樹脂１２を通過した空気の一部は導電率計１３を介してスタック２内に進入し、スタック２内の冷却水は冷却水タンク８へと進入する。
　以上のように水抜き処理を実施することにより、スタック２等の部品内の冷却水を冷却水タンク８に排出することができるので、外気温が氷点下になった場合であっても、スタック２等の破損を防止することができる。冷却水タンク８内では冷却水が凍結するが、冷却水タンク８は、冷却水タンク８を除く冷却水流路３全体の容積よりも大きい容積を備えているため、破損することはない。
　燃料電池システム１は、外部電源により電力が供給され、冷却水タンク８内及び冷却ポンプ９内に貯留された冷却水が凍結している場合、加熱ポンプ１６及びヒータ１７を作動させることで、ヒータ１７の熱により冷却水を解凍することができる。燃料電池システム１は、冷却水を解凍すると待機状態となる。
　本開示の実施形態によれば、燃料電池システム１の水抜き処理時には、冷却水流路３は大気と連通することなく、冷却水流路３の冷却水は冷却水タンク９に導入される。このため、気化した冷却水が大気に放出されることが防止される。冷却水の放出を防止することにより、冷却水の量が減少することが防止され、スタック２の冷却効果を維持することができる。また、メンテナンスにより冷却水を補充する頻度を減らすことができる。
　また、冷却水流路３と大気とが連通することがないため、大気から冷却水流路３への埃、ごみ、及び異物等の混入を防止することができる。このため、メンテナンスにより冷却水を交換する頻度、及び補充する頻度を低減させることができる。
　また、空気流路６の一端は冷却水流路３の鉛直方向最上部に接続されるので、冷却水流路３全体の冷却水を、冷却水タンク８に確実に導入することができる。
　また、冷却水バイパス路７の一端は冷却水流路３の冷却水の流れ方向におけるイオン交換樹脂１２の下流側かつイオン交換樹脂１２よりも鉛直方向下方の位置で冷却水流路３に接続されるので、内部にフィルタが設けられており、流路抵抗が大きいイオン交換樹脂１２内の冷却水を、冷却水バイパス流路７を介して確実に冷却水タンク８に導入することができる。
　また、燃料電池システム１は、外部装置等から水抜き処理の指示を受けることなく電源が遮断された場合であっても、空気遮断弁１８及びバイパス弁１９はノーマルオープン型の電磁弁であるので開状態となり、水抜き処理を実施することができる。
　スタック２は、発電部の一例である。冷却水流路３は、冷媒流路の一例である。冷却水バイパス路７は、冷媒バイパス路の一例である。冷却水タンク８は、タンクの一例である。冷却ポンプ９は、循環ポンプの一例である。第１熱交換器１０及び第２熱交換器１１は、熱交換器の一例である。空気遮断弁１８は、第１開閉弁の一例である。バイパス弁１９は、第２開閉弁の一例である。
　１　燃料電池システム
　２　スタック（発電部）
　３　冷却水流路（冷媒流路）
　４　放熱液流路
　５　加熱液流路
　６　空気流路
　７　冷却水バイパス路（冷媒バイパス）
　８　冷却水タンク（タンク）
　９　冷却ポンプ（循環ポンプ）
　１０　第１熱交換器（熱交換器）
　１１　第２熱交換器（熱交換器）
　１２　イオン交換樹脂
　１８　空気遮断弁（第１開閉弁）
　１９　バイパス弁（第２開閉弁）

Claims (11)

  1. 　水素及び酸素を反応させて発電する発電部を冷却する冷媒が通流する冷媒流路と、
    　前記冷媒流路において冷媒を循環させるために作動する循環ポンプと、
    　前記冷媒流路内の冷媒と熱交換を行う熱交換器と、
    　前記発電部よりも鉛直方向下方の位置で前記冷媒流路に配置され、冷媒を貯蔵するタンクと、
    　一端が前記冷媒流路に接続され、他端が前記タンクに接続される空気流路と、
    　前記空気流路に設けられ、前記空気流路を開状態、又は閉状態にする第１開閉弁とを備え、
    　前記空気流路の一部は、前記冷媒流路の鉛直方向最上部よりも高い位置に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　前記空気流路の一端は、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記発電部の上流側の位置で前記冷媒流路に接続され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。
  3. 　前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記発電部の上流側の位置で前記冷媒流路に設けられ、前記冷媒流路を循環する冷媒からイオンを除去するイオン交換樹脂を備え、
    　前記空気流路の一端は、前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記熱交換器の下流側かつ前記イオン交換樹脂の上流側の位置で前記冷媒流路に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記空気流路の一端は、前記イオン交換樹脂よりも鉛直方向上方の位置で前記冷媒流路に接続されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記空気流路の一端は、前記冷媒流路の鉛直方向最上部に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記空気流路の一端は、前記冷媒流路に、上方から接続されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記空気流路に設けられる前記第１開閉弁の数は１つであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 　前記第１開閉弁はノーマルオープン型の電磁弁であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 　前記空気流路の流路断面積は、前記冷媒流路の流路断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 　一端が前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向における前記イオン交換樹脂の下流側かつ前記イオン交換樹脂よりも鉛直方向下方の位置で前記冷媒流路に接続され、他端が前記タンクに接続される冷媒バイパス路と、
    　前記冷媒バイパス路に設けられ、前記冷媒バイパス路を開状態、又は閉状態にする第２開閉弁と
    　を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
  11. 　前記第２開閉弁はノーマルオープン型の電磁弁であることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
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