JP2000315514A - 燃料電池システム解凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低温環境下での運転停止後の起動が確実に行
えるようにする。 【解決手段】 この燃料電池システム解凍装置は、燃料
電池システム２を起動する場合に、温度検出手段51の検
出する温度があらかじめ定められた基準温度より低いと
きには、空気流路切替え手段52により空気加熱器26を通
過して加熱された空気がバッテリ加熱流路100に流れる
ように流路を切替え、温度検出手段51の検出温度が基準
温度を超えていれば、あるいは超えるようになれば空気
流路切替え手段52により加熱空気を配管加熱流路200に
流れるように流路を切替える。これによって、水配管系
統300内の水が凍結していることが予測できるような低
温環境下で燃料電池システム２を始動する場合、最初に
少ない消費電力でバッテリ自身を温め、温度が基準温度
を超えればバッテリ以外の機器と配管に対する配管加熱
流路に加熱空気が流してバッテリ以外の機器、配管を解
凍する解凍手順をとる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
解凍装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、移動体用の燃料電池システムの始
動性を良くするために備えられている燃料電池システム
解凍装置として、特開平８−２７３６８９号公報に記載
されたようなものが知られている。この従来の燃料電池
システム解凍装置は、水配管系統に沿って排ガス導入経
路を設け、運転停止期間中に水が凍結していたり凍結の
可能性があったりすれば、運転当初に改質器の加熱器で
メタノールの燃焼で生じる排ガスを導入して水配管系統
を温めることにより、解凍して水循環を良くするもので
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の燃料電池システム解凍装置では次のような問題点
があった。すなわち、従来装置は水配管系統のみの解凍
であり、機器内部の気液流路に加熱空気を流して機器を
解凍することは行なっていないので、機器の作動不良が
起こったり、機器内部の気液流路閉塞によって気液の循
環ができなくて燃料電池システムの発電が行なわれない
場合があり得る。また、機器解凍に関連して、ポンプ、
コンプレッサなどを継続的に作動させるためにはバッテ
リ容量の回復が必要であるが、バッテリの解凍について
は配慮されておらず、低温環境下で行なう運転開始した
場合にバッテリ容量不足が起こり、ポンプ、コンプレッ
サなどの特に消費電力の大きい機器が途中で停止してし
まい、解凍できなくなる恐れがある。

【０００４】本発明はこのような従来の問題点に鑑みて
なされたもので、低温環境下で燃料電池システムを始動
する場合、始動直後には改質器からの加熱空気によって
まずバッテリを温めることによって最小の消費電力でバ
ッテリの容量回復を図り、バッテリ容量が回復した後に
空気コンプレッサ、ポンプなどの解凍駆動機器を作動さ
せてバッテリ以外の機器、配管を解凍するようにして、
低温環境下で燃料電池システムを確実に、かつ円滑に始
動させられる燃料電池システム解凍装置を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の燃料電
池システム解凍装置は、改質器により生成した水素リッ
チな改質ガスを燃料電池のアノード側に、空気コンプレ
ッサより送られる空気を燃料電池のカソード側に供給
し、電池反応によって電力を発生する燃料電池システム
において、前記改質器の燃焼排ガスによって前記空気コ
ンプレッサより送られる空気を加熱する空気加熱器と、
前記空気加熱器を通過して加熱された空気の流路として
の、バッテリを加熱して前記改質器に戻るバッテリ加熱
流路及び前記バッテリ以外の機器と配管を加熱して前記
改質器に戻る配管加熱流路と、前記燃料電池システムの
代表温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段
の検出する前記代表温度があらかじめ定められた基準温
度より低い場合には前記バッテリ加熱流路に、前記代表
温度が前記基準温度より高い場合には前記配管加熱流路
に前記空気加熱器を通過して加熱された空気が流れるよ
うに流路を切替える空気流路切替え手段とを備えたもの
である。

【０００６】請求項１の発明の燃料電池システム解凍装
置では、燃料電池システムを起動する場合に、温度検出
手段の検出する代表温度があらかじめ定められた基準温
度より低いときには、空気流路切替え手段により空気加
熱器を通過して加熱された空気がバッテリ加熱流路に流
れるように流路を切替え、代表温度が基準温度を超えて
いれば、あるいは超えるようになれば空気流路切替え手
段により加熱空気を配管加熱流路に流れるように流路を
切替える。

【０００７】これによって、水配管系統内の水が凍結し
ていることが予測できるような低温環境下で燃料電池シ
ステムを始動する場合、まず最初に少ない消費電力でバ
ッテリ自身を温めることによってその容量回復を図り、
代表温度が基準温度を超えたところでバッテリ以外の機
器と配管に対する配管加熱流路に加熱空気が流すことに
よってバッテリ以外の機器、配管を解凍する解凍手順を
踏むことができ、その結果として、低温環境下で燃料電
池システムを確実に、かつ円滑に始動できるようにす
る。

【０００８】請求項２の発明の燃料電池システム解凍装
置は、前記温度検出手段が前記代表温度として前記バッ
テリの温度を検出するようにしたものであり、燃料電池
システムの始動時に唯一のエネルギ源となるバッテリの
凍結の有無を正確に反映させた解凍手順を選択すること
により、低温環境下で燃料電池システムをいっそう確実
に、かつ円滑に始動できるようにする。

【０００９】請求項３の発明の燃料電池システム解凍装
置は、請求項１において、さらに、水流路配管と、前記
水流路配管の水温を検出するための水温検出手段と、前
記燃料電池システムの停止中に当該水温検出手段が検出
する水温があらかじめ定められた基準水温よりも低くな
ったときに前記水流路配管内及び当該水流路配管内に位
置する機器内の水抜きを行なう水抜き手段とを備えたも
のである。

【００１０】請求項３の発明の燃料電池システム解凍装
置では、燃料電池システムの運転停止中に凍結が予想さ
れる場合、水抜き手段によって水流路配管内の水や内部
に冷却水を通流させる機器内の水を水抜きすることによ
り、これらの配管内に残留している水が凍結して配管を
閉塞するのを避け、低温環境下で燃料電池システムの始
動をいっそう確実に、かつ円滑に行えるようにする。

【００１１】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、水配管系統内
の水が凍結していることが予測できるような低温環境下
で燃料電池システムを始動する場合、まず最初に少ない
消費電力でバッテリ自身を温めることによってその容量
回復を図り、代表温度が基準温度を超えたところでバッ
テリ以外の機器と配管に対する配管加熱流路に加熱空気
が流すことによってバッテリ以外の機器、配管を解凍す
る解凍手順を踏むことができ、その結果として、低温環
境下で燃料電池システムを確実に、かつ円滑に始動でき
る。

【００１２】請求項２の発明によれば、温度検出手段が
燃料電池システムの代表温度としてバッテリ温度を検出
するようにしたので、燃料電池システムの始動時に唯一
のエネルギ源となるバッテリの凍結の有無を正確に反映
させた解凍手順を選択することができ、低温環境下で燃
料電池システムをいっそう確実に、かつ円滑に始動でき
るようになる。

【００１３】請求項３の発明によれば、請求項１及び２
の効果に加えて、燃料電池システムの運転停止中に凍結
が予想される場合、水抜き手段によって水流路配管内の
水や内部に冷却水を通流させる機器内の水を水抜きする
ので、これらの配管内に残留している水が凍結して配管
を閉塞するのを避け、低温環境下で燃料電池システムの
始動がいっそう確実に、かつ円滑に行えるようになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。図１は燃料電池システム及びそれに
付属する燃料電池システム解凍装置の構成を示してい
る。

【００１５】まず燃料電池システムの構成を説明する。
空気コンプレッサ１と燃料電池２のカソード（Ｋ）側入
口とは、電磁弁３を備えた配管４で接続されている。燃
料電池２のカソード側出口と凝縮器５とは配管６で接続
され、凝縮器５の空気出口と改質器７の空気入口とは配
管８で接続されている。

【００１６】改質器７の改質ガス出口と燃料電池２のア
ノード（Ａ）側入口とは、配管９で接続されている。燃
料電池２のアノード側出口と凝縮器１０とは配管１１で
接続され、凝縮器１０の改質ガス出口と改質器７の改質
ガス入口とは、配管１２で接続されている。

【００１７】冷却水流路３００として、冷却水タンク１
３と凝縮器１０の水入口とは、ポンプ１４を備えた配管
１５で接続されている。凝縮器１０の水出口と凝縮器５
の水入口とは配管１６で接続され、凝縮器５の水出口と
燃料電池２の水入口とは配管１７で接続され、燃料電池
２の水出口と冷却水タンク１３の水入口とは、電磁弁１
８を備えた配管１９で接続されている。

【００１８】改質器７の燃焼排ガス出口と排気ライン２
０とは、電磁弁２１を備えた配管２２で接続されてい
る。

【００１９】燃料電池システム解凍装置の構成は次の通
りである。バッテリ２７を加熱するバッテリ加熱空気流
路１００として、電磁弁２４を有する配管２５がバッテ
リ２７を覆ったダクト２８に接続され、このダクト２８
と改質器７の空気入口とが配管２９で接続されている。
改質器７の排気出口は、配管２２−電磁弁３０−配管３
１−加熱器２６−電磁弁３２−配管３３を経由して、排
気ライン２０に接続されている。

【００２０】一方、配管加熱空気流路２００は、加熱器
２６より配管２５−電磁弁３４−配管３５を経由して凝
縮器１０の内部に入り、さらに配管１６を経て凝縮器５
の内部に入り、ここから配管１７に至る。配管１７は燃
料電池２の水流路に接続されている。さらに燃料電池２
の出口と配管２９とは、電磁弁４４を備えた配管４５で
接続されている。なお、この配管２９から加熱器２６の
出口までの流路は、バッテリ加熱空気流路１００と共通
である。そして、加熱器２６の出口は、電磁弁３７−冷
却水タンク１３を経由し、さらに水循環流路を覆ったダ
クト３６−配管３８を経て排気ライン２０に接続されて
いる。

【００２１】バッテリ２７にはその温度を検出する温度
センサ５１が設けられており、コントローラ５２は、運
転モードに応じてコンプレッサ１、ポンプ１４を制御
し、また多数の電磁弁の弁開閉、弁開度を制御すること
により、燃料電池システム及び解凍装置を制御する。

【００２２】次に、上記の構成の燃料電池システム及び
燃料電池システム解凍装置の動作を説明する。

【００２３】＜通常運転状態＞図２は通常運転時の空気
系統、改質ガス系統、冷却水系統の流れを示している。
コントローラ５２は温度センサ５１の検出温度によりシ
ステムが暖まっていることを確認すると通常運転モード
に入る。

【００２４】通常運転モードでは、空気コンプレッサ１
からの空気は、電磁弁３−配管４を経由して燃料電池２
のカソード側入口に供給される。さらに、燃料電池２の
カソード側出口から出る空気は、配管６−凝縮器５−配
管８を経由して改質器７に空気入口から供給され。そし
て改質器７の排気出口から出る燃焼ガスは、配管２２を
経て排気ライン２０に排出される。

【００２５】一方、改質器７で生成される水素リッチな
改質ガスは、改質器７の改質ガス出口から配管９を経て
燃料電池２にアノード（Ａ）側入口から供給される。そ
して燃料電池２のアノード側出口から出る改質ガスは、
配管１１−凝縮器１０−配管１２を経て改質器７の改質
ガス入口に戻される。

【００２６】燃料電池２は、改質器７からの改質ガスを
アノード側に、空気コンプレッサ１からの空気をカソー
ド側に受入れ、アノード側からカソード側への水素イオ
ンの移動で電子を放出する電池反応によって電力を発生
する。

【００２７】そしてこの燃料電池発電において、ポンプ
１４を起動しておき、冷却水タンク１３に貯溜されてい
る冷却水を水循環流路３００に流して燃料電池２を適度
な温度に冷却する。

【００２８】＜起動運転時＞図３にシステム始動直後、
バッテリ２７を加熱する加熱空気流路１００が示してあ
る。コントローラ５２は温度センサ５１の検出温度を確
認して、低温環境下で運転停止して冷却水が凍結してお
り、また凍結している恐れがある状態で起動指令がかけ
られたと判断した場合、まず、バッテリ２７の加熱運転
を優先的に行なう。

【００２９】このバッテリ２７の加熱運転では、改質器
７を作動させることによってここに供給される空気と原
料ガスとを燃焼させ、その排燃焼ガスを配管２２−電磁
弁３０−配管３１−加熱器２６−電磁弁３２−配管３３
−排気ライン２０に通す。一方、コンプレッサ１からの
空気は空気流路１００を電磁弁２３−加熱器２６−配管
２５−電磁弁２４−バッテリダクト２８−配管２９と経
由して改質器７の空気入口に至るまで流れる。

【００３０】これによって加熱器２６において、改質器
７からの排燃焼ガスの熱でコンプレッサ１からの空気を
加熱し、この加熱された空気が空気流路１００によって
バッテリダクト２８を通ることにより、バッテリ２７を
加熱してその容量回復を図る。

【００３１】この起動運転では、コンプレッサ１の電力
と電磁弁の制御電力だけを必要とするので、低温の故に
容量が低下した状態のバッテリ２７でも必要電力を賄う
ことが出来る。

【００３２】このバッテリ２７の加熱運転は、温度セン
サ５１の検出温度がバッテリ２７の容量回復できる温度
まで上昇したときに終了し、続いて、解凍運転に移行す
る。

【００３３】＜解凍運転＞バッテリ２７の加熱運転が完
了すれば、コントローラ５２は、図４に示した配管加熱
流路２００を形成して、機器及び冷却水循環流路３００
内の水分を解凍するための解凍運転に移行する。

【００３４】この解凍運転では、改質器７を作動させる
ことによってここに供給される空気と原料ガスとを燃焼
させ、その排燃焼ガスを配管２２−電磁弁３０−配管３
１−加熱器２６−電磁弁３７を経由して冷却水タンク１
３内に通し、冷却水タンク１３内の冷却水を解凍する。
さらに排燃焼ガスを冷却水タンク１３から水循環流路３
００を覆ったダクト３６−配管３８を経由して排気ライ
ン２０に通す。一方、コンプレッサ１から出て加熱器２
６において排燃焼ガスによって加熱された空気、配管２
５，３５、凝縮器１０，５の内部流路に通し、配管１７
に通す。さらに加熱空気を配管１７から燃料電池２の水
流路を通し、配管４５、電磁弁４４を経て配管２９を通
し、改質器７の空気入口に至らせる。

【００３５】これにより、バッテリ２７に負担をかける
ことなく、冷却水タンク１３内の冷却水や水循環流路３
００内の水分、さらには水循環流路３００内に位置する
機器内の水分を解凍することができる。

【００３６】そしてこの解凍運転も一定時間継続した
後、コントローラ５２は上述した通常運転モードに移行
して通常運転を開始することになる。

【００３７】このようにして、第１の実施の形態の燃料
電池システム解凍装置では、改質器７の燃焼排ガスを利
用した加熱器２６により、空気コンプレッサ１からの空
気を加温し、加温された空気でバッテリ２７を加熱し、
改質器７、加熱器２６を経て排気ライン２０に放出し、
圧力損失を最小限にすることによって始動開始時のコン
プレッサ１の消費電力が少なくて済むバッテリ加熱専用
の流路１００と、バッテリ２７以外の機器、水流路３０
０を解凍する流路２００とを備えているので、システム
始動直後にはバッテリ２７のみを加熱して低温下で低下
している容量の回復を図り、容量が回復した時点をバッ
テリ以外の機器、水流路の解凍ができ、低温環境下でも
燃料電池システムを確実に始動することができる。

【００３８】次に、本発明の第２の実施の形態を図５に
基づいて説明する。第２の実施の形態は、水循環流路３
００上の位置的に低い位置（ここでは配管１７途上）に
ドレインバルブ４０を設け、また配管１７への水の流れ
を遮断してドレインバルブ４０側に水を流すための遮断
弁４１を設け、またドレインバルブ４０から落ちる水を
貯めるための水タンク４２を設け、また水循環流路３０
０を流れる水の水温を検出するための水温センサ４３を
設けたことを特徴としている。その他の構成は、図１に
示した第１の実施の形態と同じである。

【００３９】第２の実施の形態の燃料電池システムは第
１の実施の形態と同様に動作する。そして、燃料電池シ
ステム解凍装置も燃料電池システムの始動時、冷却水解
凍運転時に第１の実施の形態と同様に動作する。

【００４０】そして、第２の実施の形態の燃料電池シス
テム解凍装置は、特に、運転停止期間中の水温が低下し
てきた場合、次のように動作することを特徴とする。運
転停止中に、水温センサ４３が水循環流路３００内の水
温を水温センサ４３で検出し、コントローラ５２に出力
する。コントローラ５２は検出水温が冷却水の凍結の恐
れがある温度まで低下している場合、遮蔽弁４１を閉
じ、ドレインバルブ４０を開き、ポンプ１４を起動して
冷却水タンク１３内の冷却水を水タンク４２に回収す
る。

【００４１】これによって、水循環路３００内の水が凍
結温度近くまで低下するまで水循環流路３００内に残し
ておくことにより配管及び機器内部の流路を比熱の高い
水によって保温しておくことができ、配管及び機器が氷
点下にさらす時間を短くすることができ、凍結の進行を
抑えることができ、また、ある程度まで水温が低下すれ
ば水循環流路３００内の水を回収することによって、凍
結によって起こる機器、配管類の破壊を防止でき、また
後の起動時の解凍運転時間を短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の構成を示すブロッ
ク図。

【図２】上記の実施の形態における燃料電池システムの
通常運転状態を示すブロック図。

【図３】上記の実施の形態における燃料電池システム解
凍装置のバッテリ加熱運転状態を示すブロック図。

【図４】上記の実施の形態における燃料電池システム解
凍装置の解凍運転状態を示すブロック図。

【図５】本発明の第２の実施の形態の構成を示すブロッ
ク図。

【符号の説明】

１ コンプレッサ ２ 燃料電池 ５ 凝縮器 ７ 改質器 １０ 凝縮器 １３ 冷却水タンク １４ ポンプ ２６ 加熱器 ２７ バッテリ ２８ ダクト ４０ ドレインバルブ ４２ 水タンク ４３ 水温センサ ５０ 温度センサ ５１ コントローラ １００ バッテリ加熱流路 ２００ 配管加熱流路 ３００ 水循環流路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】改質器により生成した水素リッチな改質ガ
   スを燃料電池のアノード側に、空気コンプレッサより送
   られる空気を燃料電池のカソード側に供給し、電池反応
   によって電力を発生する燃料電池システムにおいて、 前記改質器の燃焼排ガスによって前記空気コンプレッサ
   より送られる空気を加熱する空気加熱器と、 前記空気加熱器を通過して加熱された空気の流路として
   の、バッテリを加熱して前記改質器に戻るバッテリ加熱
   流路及び前記バッテリ以外の機器と配管を加熱して前記
   改質器に戻る配管加熱流路と、 前記燃料電池システムの代表温度を検出する温度検出手
   段と、 前記温度検出手段の検出する前記代表温度があらかじめ
   定められた基準温度より低い場合には前記バッテリ加熱
   流路に、前記代表温度が前記基準温度より高い場合には
   前記配管加熱流路に前記空気加熱器を通過して加熱され
   た空気が流れるように流路を切替える空気流路切替え手
   段とを備えて成る燃料電池システム解凍装置。
2. 【請求項２】 前記温度検出手段は、前記代表温度とし
   て前記バッテリの温度を検出す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解凍装置。
3. 【請求項３】 水流路配管と、前記水流路配管の水温を
   検出するための水温検出手段と、前記燃料電池システム
   の停止中に当該水温検出手段が検出する水温があらかじ
   め定められた基準水温よりも低くなったときに前記水流
   路配管内及び当該水流路配管内に位置する機器内の水抜
   きを行なう水抜き手段とを備えたことを特徴とする請求
   項１又は２に記載の燃料電池システム解凍装置。