JP2006286488A - 燃料電池システム - Google Patents

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

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。

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。 第１の実施形態の燃料電池システムによる冷却水回収動作を示す動作説明図である。 第１の実施形態の燃料電池システムによる冷却水戻し動作を示す動作説明図である。 図１の変形例を示す燃料電池システムの全体構成図である。 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。 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。

符号の説明

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

Claims (12)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。

Images