JP2006286488A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池冷却用の冷却水の回収作業と、燃料電池内における空気系回路の換気運転作業を同時に行えるようにする。
【解決手段】 燃料電池1の停止時に、空気圧縮機11を作動させ、このとき冷却水回収バルブ27,冷却水戻しバルブ31をそれぞれ閉じ、空気抜きバルブ35を開いた状態として、冷却水タンク25内を減圧する。この減圧状態から冷却水回収バルブ27を開くことで、燃料電池1内の冷却水を冷却水回収通路23を通して冷却水タンク25に吸引して回収する。冷却水を回収する際には、空気圧縮機11の作動によって燃料電池1に空気を供給し、空気供給ラインの換気運転を同時に行うことができる。
【選択図】 図1
【解決手段】 燃料電池1の停止時に、空気圧縮機11を作動させ、このとき冷却水回収バルブ27,冷却水戻しバルブ31をそれぞれ閉じ、空気抜きバルブ35を開いた状態として、冷却水タンク25内を減圧する。この減圧状態から冷却水回収バルブ27を開くことで、燃料電池1内の冷却水を冷却水回収通路23を通して冷却水タンク25に吸引して回収する。冷却水を回収する際には、空気圧縮機11の作動によって燃料電池1に空気を供給し、空気供給ラインの換気運転を同時に行うことができる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、燃料電池冷却用の冷却水が循環する冷却水通路を備えた燃料電池システムに関する。
例えば、下記特許文献1では、燃料電池に酸素ガスを供給する酸素供給源から開閉弁を介して冷却水循環路に酸素ガスを圧送する抜取用気体圧送手段を備え、燃料電池の停止時に、上記抜取用気体圧送手段により冷却水循環路に酸素ガスを圧送して冷却水循環路内の冷却水の抜き取り(回収)を行なう構成が開示されている。
特許第3407914号公報
しかしながら、上記した従来の技術では、空気の圧送を行う際に、燃料電池における空気系回路に対する換気運転が同時に行えず、この換気運転を行う場合には、冷却水回収作業とは別に単独で行う必要が生じ、換気運転のために多くの時間を費やすことになり、改善が望まれている。
そこで、本発明は、燃料電池冷却用の冷却水の回収作業と、燃料電池内における空気系回路の換気運転作業を同時に行えるようにすることを目的としている。
本発明は、燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水通路を前記燃料電池に接続し、前記冷却水を回収する気密構造の冷却水貯蔵容器を、冷却水回収通路を介して前記冷却水通路に接続し、前記冷却水貯蔵容器と、前記燃料電池に酸化剤ガスとして供給する空気を圧縮する空気圧縮機の吸入側とを空気抜き通路で接続し、前記空気圧縮機の作動により、前記燃料電池内の冷却水を、前記冷却水回収通路を通して前記冷却水貯蔵容器に吸引して回収することを最も主要な特徴とする。
本発明によれば、燃料電池に供給する空気を圧縮する空気圧縮機の吸入側の負圧により、冷却水貯蔵容器内に冷却水を回収するので、空気圧縮機に作動により燃料電池の空気系回路に空気を供給して行う換気運転作業を、燃料電池の低温起動に有効な冷却水回収と同時に行うことができ、換気運転のためだけに多くの時間を費やすことを回避できる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池1には、燃料ガスとして水素ガスを図示しない水素タンクなどの水素供給源から供給する水素供給通路3および、供給した水素のうちの余剰分などを排出する水素排出通路5をそれぞれ接続するとともに、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給通路7および、供給した空気のうちの余剰分など排出する空気排出通路9をそれぞれ接続する。空気供給通路7の上流端には、供給する空気を圧縮する空気圧縮機11を設置する。
また、燃料電池1には、燃料電池1を冷却する冷却水を循環させる冷却水通路13の両端を接続する。冷却水通路13には冷却水移送手段としての冷却水ポンプ15を設置し、冷却水ポンプ15の作動により冷却水を燃料電池1に供給し循環させる。
冷却水通路13の燃料電池1からの冷却水排出側には、燃料電池1で加熱した冷却水を冷却するラジエータ17を設置し、このラジエータ17と冷却水ポンプ15との間には、冷却水ポンプ15側から冷却水通路開閉手段としてのポンプ吸入バルブ19およびリザーバタンク21をそれぞれ設置する。
上記した冷却水通路13の燃料電池1への冷却水供給側には、冷却水回収通路23の一端を接続し、冷却水回収通路23の他端は気密構造の冷却水貯蔵容器としての冷却水タンク25に接続する。冷却水タンク25は、燃料電池1より鉛直方向上方位置に設置する。また、冷却水回収通路23には、冷却水回収通路開閉手段としての冷却水回収バルブ27を設ける。
冷却水回収バルブ27と冷却水タンク25との間の冷却水回収通路23と、冷却水ポンプ15とポンプ吸入バルブ19との間の冷却水通路13とは、冷却水戻し通路29で接続し、冷却水戻し通路29には、冷却水戻しバルブ31を設ける。
そして、冷却水タンク25と前記した空気圧縮機11とを空気抜き通路33で接続し、空気抜き通路33には、空気抜き通路開閉手段としての空気抜きバルブ35を設ける。空気抜きバルブ35は三方弁で構成し、大気導入通路37から大気を導入可能とする。また、空気圧縮機11と空気抜きバルブ35との間の空気抜き通路33には、空気導入通路39を接続し、空気圧縮機11の作動により、空気供給通路7を通して燃料電池1に空気を供給する。
次に作用を説明する。燃料電池1の通常運転時には、冷却水回収バルブ27,冷却水戻しバルブ31および空気抜きバルブ35をそれぞれ閉じた状態で、空気圧縮機11を作動させ、空気導入通路39から外気を導入し、空気供給通路7を通して燃料電池1に空気を供給する。これとともに、図示しない水素タンクなどの水素供給源から水素供給通路3を経て燃料電池1に水素を供給し、この水素と前記した空気中の酸素との反応により燃料電池1が発電する。
そして、この燃料電池1の発電時には、ポンプ吸入バルブ19を開いた状態で、冷却水ポンプ15を作動させ、冷却水通路13を通して燃料電池1に冷却水を供給し、燃料電池1を冷却する。燃料電池1で加熱された冷却水は、ラジエータ17で放熱し、リザーバタンク21を経て冷却水ポンプ15に戻る。
ここで、上記発電中の燃料電池1の運転を停止する際には、冷却水回収バルブ27,冷却水戻しバルブ31およびポンプ吸入バルブ19をそれぞれ閉じる一方、空気抜きバルブ35を開いた状態(空気圧縮機11と冷却水タンク25とが連通状態で、大気導入通路37は閉じる)とする。このとき空気圧縮機11は、作動を継続させたまま、あるいは停止後再起動させることで、冷却水タンク25に対し、内部の空気を空気抜き通路33を経て吸引して減圧する。
次に、この減圧状態から、冷却水回収バルブ27を開くことで、図2のように、燃料電池1内および冷却水通路13内における冷却水を、冷却水回収通路23を通して冷却水タンク25内に吸引して回収する。すなわち、空気圧縮機11の作動により、燃料電池1内の冷却水を、冷却水回収通路23を通して冷却水タンク25に吸引して回収する。回収後は、冷却水回収バルブ27を閉じておく。
ここで、冷却水を回収する際に、あらかじめ冷却水タンク25内を減圧し、その後冷却水回収バルブ27を開くことにより、冷却水タンク25への冷却水回収を即座に開始でき、回収時間が短縮化する。
なお、冷却水タンク25は、燃料電池1よりも高い位置に設置しているが、冷却水タンク25内の圧力として、冷却水タンク25と燃料電池1との高低差より大きな水頭圧分の圧力差をつけることにより、確実に冷却水タンク25内に冷却水を導入することができる。
このように燃料電池1の運転を停止する際に、内部の冷却水を抜き取ることで、燃料電池1の熱容量が減少するので、特に周囲の環境温度が低い場合での燃料電池1の起動時の発電による加熱速度が高まり、低温起動が容易となる。
一方、上記した冷却水の回収時(冷却水タンク25を減圧している状態も含む)には、空気圧縮機11の作動によって燃料電池1内に空気を供給して空気供給ラインの換気運転を行うことができる。このため、換気運転作業を別途単独で行う必要がなくなり、換気運転のためだけに多くの時間を費やすことを回避できる。
低温起動後、燃料電池1が暖機したら、冷却水タンク25に回収した冷却水を冷却水通路13および燃料電池1に戻す必要がある。この際には、図3に示すように、空気抜きバルブ35を空気抜き通路33に大気を導入可能な状態(大気導入通路37と冷却水タンク25とが連通状態)として、冷却水戻しバルブ31を開き、ポンプ吸入バルブ19および冷却水回収バルブ27をそれぞれ閉じ状態とする。
この状態で、燃料電池1より高い位置にある冷却水タンク25から冷却水の自重と冷却水ポンプ15の移送力で、冷却水タンク25内の冷却水を冷却水戻し通路29を通して冷却水ポンプ15の吸い込み側の冷却水通路13に戻し、燃料電池1内にも冷却水を流し込む。
このように、冷却水タンク25に回収した冷却水を冷却水回路内に戻す際に、冷却水の自重および冷却水ポンプ15の揚程を使うことにより、冷却水ポンプ15のエア吸いを防止しながら速やかに戻すことができる。
冷却水タンク25内の冷却水を冷却水回路に全て回収した後は、冷却水戻しバルブ31および空気抜きバルブ35をそれぞれ閉じる一方、ポンプ吸入バルブ19を開き、通常の燃料電池1の運転に以降する。
なお、冷却水タンク25に回収した冷却水を冷却水回路内に戻す際に、冷却水の自重によりリザーバタンク21に戻すようにしてもよい。このときは、ポンプ吸入バルブ19を開いておく必要がある。
本発明の第2の実施形態として、冷却水タンク25内を減圧状態としてから、空気抜きバルブ35を閉じた後、冷却水回収バルブ27を開いて冷却水タンク25に冷却水を回収する。
これにより、空気圧縮機11に対する冷却水のオーバフローや飛沫などの流れ込みを防止でき、空気圧縮機11の破損を防止できる。
図4は、図1の変形例を示す燃料電池システムの全体構成図で、図1に対し、ラジエータ17とリザーバタンク21の位置を互いに入れ替えている。
このような構成とすることで、図1の場合に比較して、燃料電池1からの冷却水排出側の冷却水通路13内の回収分を少なくでき、本来回収が必要な燃料電池1内の冷却水の回収を、短時間でより確実に行うことができる。
図5は、本発明の第3の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。この実施形態は、前記図1のシステム構成において、冷却水タンク25を減圧する際に、冷却水タンク25内の真空度(圧力)を検出する圧力検出手段としての圧力センサ41を設け、圧力センサ41が検出した冷却水タンク25内の真空度が所定値以下の減圧状態となったときに、冷却水回収バルブ27を開くようにする。これにより、冷却水を冷却水タンク25に確実に回収することができる。
第4の実施形態として、冷却水タンク25内を減圧して冷却水を回収する前に、空気圧縮機11を作動させた状態で、空気抜きバルブ35および冷却水回収バルブ27をそれぞれ一定時間開く。これにより、冷却水回収前に、空気回収通路23内の空気分を冷却水タンク25側に流れ込ませて排気することになり、その後の冷却水タンク25へ流入する冷却水の回収率を向上できる。
第5の実施形態として、上記した第4の実施形態と同様にして、空気圧縮機11を作動させた状態で、空気抜きバルブ35および冷却水回収バルブ27をそれぞれ一定時間開き、この状態で、前記図3に示した圧力センサ41の検出圧力が所定値以下の減圧状態となったときに、空気抜きバルブ35を閉じる。
上記のように空気抜きバルブ35および冷却水回収バルブ27をそれぞれ開くと、冷却水回収通路23内の空気分が冷却水タンク25に流れ込み、一時的に内圧が上昇する。この内圧上昇分が再度減少して所定値以下の減圧状態となったときに、空気抜きバルブ35を閉じることで、冷却水タンク25へ流入する冷却水の回収率を向上できる。
第6の実施形態として、燃料電池1周辺の環境温度を検出する温度検出手段としての図示しない温度センサを設け、燃料電池1の運転を停止する際に、温度センサが検出した環境温度が所定値以下のときに、空気圧縮機11を作動させて冷却水タンク25に冷却水を回収する。
このように、冷却水を冷却水タンク25に回収する冷却水回収モードは、環境温度により必要時以外は行わないようにすることで、燃料電池1の停止時に、環境温度が所定温度を超えるときには、冷却水の回収時間がなくなり、停止時間を短縮することができる。
第7の実施形態として、燃料電池1の温度を検出する温度検出手段としての図示しない温度センサを設け、燃料電池1の停止時に冷却水タンク25内を真空状態とし、この停止中の燃料電池1の温度センサによる検出温度が所定温度以下のときに、冷却水回収バルブ27を開き、冷却水タンク25に冷却水を回収する。
このように、燃料電池1が所定温度以下に低下したときのみ冷却水の回収を行い、それ以外のときは、冷却水の回収を行わないようにすることで、第6の実施形態と同様に、燃料電池1の停止時に、その温度が所定温度を超えるときには、冷却水の回収時間がなくなり、停止時間を短縮することができる。また、燃料電池1の温度が所定温度以下に低下したときのみ、冷却水の回収を行うことで、燃料電池1の温度低下速度を遅くすることができる。
図6は、本発明の第8の実施形態を示す燃料電池システムの全体構成図である。この実施形態は、前記図5に示した第3の実施形態に対し、空気圧縮機11の吸入側通路である空気導入通路39に、絞り弁43を追加して設けている。この場合、冷却水タンク25を減圧する際に、絞り弁43を作動させて冷却水タンク25内の空気抜き速度を高めている。
このように、空気圧縮機11により吸入側の圧力損失を、絞り弁43を用いて大きくすることにより、冷却水タンク25に対する空気抜きの速度が高まり、また、残留空気量も減少して冷却水回収率が向上する。
また、本発明の第9の実施形態として、冷却水タンク25の容量を、燃料電池1内の冷却水流路および、この冷却水流路に接続する冷却水通路13で構成される冷却水回路中の総水量以上とすることで、冷却水回収時での空気圧縮機11に対する冷却水のオーバフローや飛沫などの流れ込みを防止でき、空気圧縮機11の破損を防止でき、また、燃料電池1の空気供給通路7への冷却水の流入を防止することができる。
さらに、本発明の第10の実施形態として、冷却水タンク25に、図示していないが冷却水加熱用電気ヒータを設け、燃料電池1の起動運転中に燃料電池1で発生する余剰電気を用いて冷却水タンク25に回収した冷却水を加熱する。
このように、冷却水タンク25に回収した冷却水を適温まで加熱し、冷却水通路13および燃料電池1に戻すことにより、低温起動時での燃料電池1の定格運転までの時間を短縮できる。また、起動運転(暖機運転)時の余剰電力を、冷却水加熱用電気ヒータに使用することで効率よく消費できる。
1 燃料電池
11 空気圧縮機
13 冷却水通路
15 冷却水ポンプ(冷却水移送手段)
19 ポンプ吸入バルブ(冷却水通路開閉手段)
23 冷却水回収通路
25 冷却水タンク(冷却水貯蔵容器)
27 冷却水回収バルブ(冷却水回収通路開閉手段)
29 冷却水戻し通路
33 空気抜き通路
35 空気抜きバルブ(空気抜き通路開閉手段)
41 冷却水タンク内の圧力を検出する圧力センサ(圧力検出手段)
43 絞り弁
11 空気圧縮機
13 冷却水通路
15 冷却水ポンプ(冷却水移送手段)
19 ポンプ吸入バルブ(冷却水通路開閉手段)
23 冷却水回収通路
25 冷却水タンク(冷却水貯蔵容器)
27 冷却水回収バルブ(冷却水回収通路開閉手段)
29 冷却水戻し通路
33 空気抜き通路
35 空気抜きバルブ(空気抜き通路開閉手段)
41 冷却水タンク内の圧力を検出する圧力センサ(圧力検出手段)
43 絞り弁
Claims (12)
- 燃料電池を冷却する冷却水が循環する冷却水通路を前記燃料電池に接続し、前記冷却水を回収する気密構造の冷却水貯蔵容器を、冷却水回収通路を介して前記冷却水通路に接続し、前記冷却水貯蔵容器と、前記燃料電池に酸化剤ガスとして供給する空気を圧縮する空気圧縮機の吸入側とを空気抜き通路で接続し、前記空気圧縮機の作動により、前記燃料電池内の冷却水を、前記冷却水回収通路を通して前記冷却水貯蔵容器に吸引して回収することを特徴とする燃料電池システム。
- 前記冷却水回収通路および前記空気抜き通路に、それぞれの通路を開閉可能な冷却水回収通路開閉手段および空気抜き通路開閉手段を設け、前記空気圧縮機の作動時に、前記冷却水回収通路開閉手段を閉じる一方、前記空気抜き通路開閉手段を開くことで、前記冷却水貯蔵容器内を減圧し、この減圧状態から、前記冷却水回収通路開閉手段を開くことで、前記燃料電池内の冷却水を、前記冷却水回収通路を通して前記冷却水貯蔵容器に吸引して回収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。
- 前記冷却水貯蔵容器内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、この圧力検出手段が検出する前記冷却水貯蔵容器内の圧力が所定値以下の前記減圧状態となったときに、前記冷却水回収通路開閉手段を開くことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却水回収通路および前記空気抜き通路に、それぞれの通路を開閉可能な冷却水回収通路開閉手段および空気抜き通路開閉手段を設け、前記空気圧縮機の作動時に、前記冷却水回収通路開閉手段を閉じる一方、前記空気抜き通路開閉手段を開くことで、前記冷却水貯蔵容器内を減圧し、この減圧状態から、前記空気抜き通路開閉手段を閉じた後、前記冷却水回収通路開閉手段を開くことで、前記燃料電池内の冷却水を、前記冷却水回収通路を通して前記冷却水貯蔵容器に吸引して回収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。
- 前記冷却水回収通路および前記空気抜き通路に、それぞれの通路を開閉可能な冷却水回収通路開閉手段および空気抜き通路開閉手段を設け、前記空気圧縮機の作動時に、前記空気抜き通路開閉手段および前記冷却水回収通路開閉手段をそれぞれ一定時間開き、その後冷却水の回収を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却水貯蔵容器内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、前記空気抜き通路開閉手段および前記冷却水回収通路開閉手段をそれぞれ開いた状態で、前記圧力検出手段が検出する前記冷却水貯蔵容器内の圧力が所定値以下の前記減圧状態となったときに、前記空気抜き通路開閉手段を閉じることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却水貯蔵容器を前記燃料電池より鉛直方向上方に配置するとともに、前記冷却水貯蔵容器と前記空気圧縮機との間の前記空気抜き通路に設けた空気抜き通路開閉手段を、前記空気抜き通路に大気を導入可能な構成とし、前記冷却水通路に、冷却水を吸入して吐出する冷却水移送手段およびその吸入側に冷却水通路開閉手段をそれぞれ設け、前記冷却水移送手段と前記冷却水通路開閉手段との間の前記冷却水通路と、前記冷却水回収通路に設けた冷却水回収通路開閉手段より前記冷却水貯蔵容器側の前記冷却水回収通路とを、冷却水戻し通路で接続し、前記空気抜き通路開閉手段を空気抜き通路に大気を導入可能な状態として、前記冷却水通路開閉手段および前記冷却水回収通路開閉手段を閉じ、冷却水の自重と前記冷却水移送手段の移送力で、前記冷却水貯蔵容器内の冷却水を前記冷却水戻し通路を通して前記冷却水通路に戻すことを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池周辺の環境温度を検出する温度検出手段を設け、前記燃料電池の運転を停止する際に、前記温度検出手段が検出した環境温度が所定値以下のときに、前記冷却水貯蔵容器に冷却水を回収することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を設け、前記燃料電池の停止時に、前記空気圧縮機の作動により前記冷却水貯蔵容器内をあらかじめ減圧状態とし、前記温度検出手段の検出温度が所定温度以下のときに、前記冷却水回収通路に設けた閉状態の冷却水回収通路開閉手段を開き、前記冷却水貯蔵容器に冷却水を回収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。
- 前記空気圧縮機の吸入側通路に絞り弁を設け、前記空気圧縮機を作動させて前記冷却水貯蔵容器を減圧する際に、前記絞り弁を作動させて前記冷却水貯蔵容器内の空気抜き速度を高めることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却水貯蔵容器の容量を、前記燃料電池内の冷却水流路および、この冷却水流路に接続する前記冷却水通路で構成される冷却水回路中の総水量以上としたことを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
- 前記冷却水貯蔵容器に冷却水加熱用電気ヒータを設け、前記燃料電池の起動運転中に燃料電池で発生する余剰電力を用いて前記冷却水貯蔵容器に回収した冷却水を加熱することを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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JP2005106870A JP2006286488A (ja) | 2005-04-01 | 2005-04-01 | 燃料電池システム |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014026850A (ja) * | 2012-07-27 | 2014-02-06 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の冷却水回収方法 |
CN109671960A (zh) * | 2017-10-16 | 2019-04-23 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池模块 |
-
2005
- 2005-04-01 JP JP2005106870A patent/JP2006286488A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014026850A (ja) * | 2012-07-27 | 2014-02-06 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料電池発電装置及び燃料電池発電装置の冷却水回収方法 |
CN109671960A (zh) * | 2017-10-16 | 2019-04-23 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池模块 |
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