JP2008097869A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】水素貯蔵タンクに水素を充填する際に行う水素貯蔵タンクの冷却を効率よく行うことができる燃料電池システムを提供することにある。
【解決手段】燃料電池システム1は、熱媒が熱媒バッファタンク14を経由せずに燃料電池3と水素貯蔵タンク2との間を循環する第1の熱媒経路としての第1経路及び第2経路を備えている。また、燃料電池システム1は、熱媒が燃料電池3を経由せずに水素貯蔵タンク2と熱媒バッファタンク14との間で循環する第2の熱媒経路としての第3経路を備えている。そして、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁12によって燃料電池3を経由せずに熱媒バッファタンク14と水素貯蔵タンク2との間を循環する第3経路に切り換えられる。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池システム1は、熱媒が熱媒バッファタンク14を経由せずに燃料電池3と水素貯蔵タンク2との間を循環する第1の熱媒経路としての第1経路及び第2経路を備えている。また、燃料電池システム1は、熱媒が燃料電池3を経由せずに水素貯蔵タンク2と熱媒バッファタンク14との間で循環する第2の熱媒経路としての第3経路を備えている。そして、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁12によって燃料電池3を経由せずに熱媒バッファタンク14と水素貯蔵タンク2との間を循環する第3経路に切り換えられる。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
水素吸蔵合金を用いて水素ガスを貯蔵し、燃料電池を運転する際には貯蔵した水素ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、システム構成を簡素化した燃料電池システムが提案されている(特許文献1参照。)。特許文献1に記載の燃料電池システムでは、水素吸蔵合金を備える水素貯蔵タンクと、燃料電池と、ラジエータとが冷媒流路によって連通されており、水素吸蔵合金としては、平衡水素圧となる時の水素吸蔵合金の温度が燃料電池の定常運転時の温度よりも高くなるものを用いている。そして、この燃料電池システムでは、水素ガスを水素吸蔵合金に吸蔵させる際には、冷却ファンを駆動し、燃料電池を通った冷媒を用いて水素吸蔵合金から発生する熱を吸収させている。したがって、この燃料電池システムでは、冷媒流路を流れる冷媒によって燃料電池の冷却と水素貯蔵タンクの冷却の両方を行うことができるため、余分な流路を設ける必要が無く燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
また、過冷却材が混入された冷媒を燃料電池に流して燃料電池の冷却を行う潜熱蓄熱装置が提案されている(特許文献2参照。)。特許文献2に記載の潜熱蓄熱装置では、過冷却状態が解除されて凝固した過冷却材を含む冷媒を燃料電池に流し込み、過冷却材によって燃料電池から融解潜熱相当の熱量を吸熱することで効率よく冷却を行っている。また、潜熱蓄熱装置は、水素吸蔵体が充填接着された熱交換器を収納した燃料タンクを備え、水素吸蔵体が水素を放出する際には過冷却材が凝固する際に発生する凝固熱を水素吸蔵体に与えることで、熱交換器の加熱効率を上昇させている。
特開2004−281243号公報
特開2004−150336号公報
ところが、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、燃料電池を経由した後の冷媒が水素貯蔵タンクに流れるため、水素貯蔵タンクには燃料電池を通過した際に温められた冷媒や、燃料電池内に存在していた冷媒が流れ込む。したがって、この燃料電池システムでは、水素貯蔵タンクにまで流れてきた時における冷媒の水温は、ラジエータを通過した直後の冷媒の水温よりも高くなっているため、水素を充填する際に冷媒によって水素貯蔵タンクの冷却を行おうとしても、冷却が不十分となり水素の充填時間が長くなる。
特許文献2に記載の潜熱蓄熱装置では、水素吸蔵時には、送風機を稼動させた状態で、冷媒を過冷却状態が解除されない程度の流速でラジエータに循環させることで冷却している。したがって、制御が難しい。
本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素貯蔵タンクに水素を充填する際に行う水素貯蔵タンクの冷却を効率よく行うことができる燃料電池システムを提供する。
請求項1に記載の発明は、水素吸蔵材を内蔵した水素貯蔵タンクから燃料電池へ水素を供給し、前記水素吸蔵材からの水素放出時における水素吸蔵材の加熱に前記燃料電池を冷却後の熱媒を使用する燃料電池システムであって、外気の流通可能な位置に設けられ、熱媒を貯留可能で外気と熱交換可能な熱媒バッファタンクと、熱媒が前記熱媒バッファタンクを経由せずに前記燃料電池と前記水素貯蔵タンクとの間を循環する第1の熱媒経路と、熱媒が前記燃料電池を経由せずに前記熱媒バッファタンクと前記水素貯蔵タンクとの間を循環する第2の熱媒経路と、前記水素吸蔵材の水素放出時には、熱媒が前記第1の熱媒経路を循環する状態に切り換え、前記水素吸蔵材の水素吸蔵時には、熱媒が前記第2の熱媒経路を循環する状態に切り換える切り換え弁とを備えることを要旨とする。
この構成によれば、水素吸蔵材の水素放出時には、燃料電池と水素貯蔵タンクとの間で熱媒を循環させ、この循環とは無関係な熱媒を熱媒バッファタンクに貯留する。そして、水素吸蔵材の水素吸蔵時には、水素吸蔵材の水素放出時に熱媒バッファタンクで冷却された熱媒を、燃料電池を通すことなく、熱媒バッファタンクと水素貯蔵タンクとの間で循環させる。したがって、水素吸蔵材の水素吸蔵時に、冷却された熱媒によって水素貯蔵タンクの冷却を行うことができるため、水素貯蔵タンクの冷却効率を向上させることができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、車両に搭載されていることを要旨とする。
この構成によれば、車両の走行によって熱媒バッファタンクには走行風が当たるため、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒は、冷却される。したがって、水素貯蔵タンクの冷却効率を向上させることができる。また、水素吸蔵材の水素吸蔵時に温められた熱媒は、次の水素充填作業を行うまでには再び走行風により、熱媒バッファタンクで冷却することができる。
この構成によれば、車両の走行によって熱媒バッファタンクには走行風が当たるため、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒は、冷却される。したがって、水素貯蔵タンクの冷却効率を向上させることができる。また、水素吸蔵材の水素吸蔵時に温められた熱媒は、次の水素充填作業を行うまでには再び走行風により、熱媒バッファタンクで冷却することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記熱媒バッファタンクの外表面には、空冷フィンが設けられていることを要旨とする。
この構成によれば、熱媒バッファタンクに空冷フィンを設けることで熱媒バッファンタンクの放熱効果は高くなり、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒を冷却する際には、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒の熱を効率よく放熱することができ、熱媒の冷却を効率よく行うことができる。
この構成によれば、熱媒バッファタンクに空冷フィンを設けることで熱媒バッファンタンクの放熱効果は高くなり、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒を冷却する際には、熱媒バッファタンクに貯留されている熱媒の熱を効率よく放熱することができ、熱媒の冷却を効率よく行うことができる。
請求項4に記載の発明は、請求項2又は請求項3に記載の発明において、前記第1の熱媒経路を構成する流路は、外気と熱媒との熱交換が可能に構成されたラジエータと、熱媒を移送するポンプと、熱媒が前記燃料電池を迂回するバイパス通路と、熱媒が前記バイパス通路を通過する状態と通過しない状態とに切り換える切り換え弁とを備え、前記熱媒バッファタンクは、前記水素貯蔵タンクと前記ポンプとの間の流路、前記ポンプと前記ラジエータとの間の流路、前記ラジエータと前記切り換え弁との間の流路、前記燃料電池と前記水素貯蔵タンクとの間の流路のうちのいずれか一つの流路に連結されていることを要旨とする。
この構成によれば、第2の熱媒経路は、第1の熱媒経路の配管をほとんど利用することができるとともに、熱媒バッファタンクの連結位置の自由度が高くなる。
本発明によれば、水素貯蔵タンクに水素を充填する際に行う水素貯蔵タンクの冷却を効率よく行うことができる。
(第1実施形態)
以下、本発明を燃料電池を駆動源とした電気自動車の燃料電池システムに具体化した第1実施形態を図1に従って説明する。
以下、本発明を燃料電池を駆動源とした電気自動車の燃料電池システムに具体化した第1実施形態を図1に従って説明する。
燃料電池システム1は、水素吸蔵材としての水素吸蔵合金MHを収容する水素貯蔵タンク2と、固体高分子型の燃料電池3と、コンプレッサ4と、ラジエータ5とを備えている。そして、燃料電池システム1は、熱媒が流れる循環流路6を介して水素貯蔵タンク2、燃料電池3及びラジエータ5が連結されている。また、燃料電池システム1は、管路7を介して水素貯蔵タンク2から燃料電池3へ水素を供給するように構成されている。
水素貯蔵タンク2は、タンク20と、水素吸蔵材としての水素吸蔵合金MHを収容した水素吸蔵用ユニット21と、タンク20内で水素吸蔵用ユニット21を支持する支持体22とから構成されている。また、水素貯蔵タンク2内には、水素吸蔵合金MHとの間で熱交換を行う熱媒の流路として、循環流路6の一部が熱交換部6aとして配置されている。なお、熱媒としては、不凍液(ロングライフクーラント)が使用されている。そして、熱交換部6aの周囲には、水素吸蔵合金MHとの間の熱交換の効率を高めるための多数のフィン23が設けられている。水素貯蔵タンク2は、例えば、約35MPaの高圧で水素を貯蔵し、図示しないバルブ圧で圧力を減圧して燃料電池3に一定の圧力(例えば、0.3MPa程度)で水素を供給する。
燃料電池3は、水素貯蔵タンク2から供給される水素と、コンプレッサ4から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー(直流電力)を発生する。燃料電池3内には、定常運転時に燃料電池3を冷却可能にするため、循環流路6の一部が熱交換部6bとして配置されている。燃料電池3は、燃料電池3が備える図示しない酸素供給ポートが管路8を介してコンプレッサ4と連結されている。
ラジエータ5は、モータ30により回転されるファン31を備えるとともに、循環流路6の一部が内部に配置されている。ラジエータ5は、外気を通過可能にした構造であり、この通過する外気とラジエータ5を通る循環流路6内の熱媒との間で熱交換を行う。
循環流路6は、ポンプ9から送り出された熱媒が、熱媒バッファタンク14及びラジエータ5を経由せずに水素貯蔵タンク2と燃料電池3との間を循環する第1経路と、熱媒バッファタンク14を経由せずに水素貯蔵タンク2と燃料電池3とラジエータ5との間を循環する第2経路とを構成する。第1経路と第2経路とは、それぞれ熱媒バッファタンク14を経由せずに水素貯蔵タンク2と燃料電池3との間を循環する第1の熱媒経路を構成する。
また、循環流路6には、モータ9aによって駆動されるポンプ9が設けられている。ポンプ9は、第1流路6cを介して熱交換部6aの出口と連結されている。そして、ポンプ9は、その上流側に水素貯蔵タンク2が配置されるとともにその下流側に燃料電池3が配置されており、熱媒を水素貯蔵タンク2側から燃料電池3側へ送るように設けられている。モータ9aは、燃料電池3の運転時には燃料電池3によって駆動され、燃料電池3が運転されていない時には、図示しないバッテリから電力が供給されるようになっている。
そして、ポンプ9とラジエータ5との間の第2流路6dと、ラジエータ5と熱交換部6bの入口との間の第3流路6eとは、第1バイパス流路6fによって連結され、第1バイパス流路6fと第3流路6eとの連結部には電磁三方弁10が設けられている。また、熱交換部6bの出口と熱交換部6aの入口とは第4流路6gによって連結され、第3流路6eと第4流路6gとは、第2バイパス流路6hによって連結されている。第2バイパス流路6hと第3流路6eとの連結部には電磁三方弁11が設けられている。なお、第2バイパス流路6hと第3流路6eとの連結部は、第1バイパス流路6fと第3流路6eとの連結部より燃料電池3側に位置している。循環流路6は、熱交換部6a,6b及び各流路6c〜6gで構成されている。そして、循環流路6に設けられた電磁三方弁10,11は、熱媒が循環する循環経路を第1経路及び第2経路のうちのいずれかに切り換える切り換え弁を構成する。第1経路は、熱媒が、水素貯蔵タンク2から、第1流路6c、第2流路6d、第1バイパス流路6f、第3流路6e、燃料電池3、第4流路6gの順に流れる経路である。第2経路は、熱媒が水素貯蔵タンク2から、第1流路6c、第2流路6d、ラジエータ5、第3流路6e、燃料電池3、第4流路6gの順に流れる経路である。
また、燃料電池システム1は、熱媒が燃料電池3を経由せずに水素貯蔵タンク2と熱媒バッファタンク14との間で循環する第2の熱媒経路としての第3経路を備えている。この第3経路は、循環流路6の一部である第1流路6c、第2流路6dと、循環流路6に連結されている熱媒流路13と第4流路6gとから構成されている。そして、熱媒流路13は、第2流路6dと熱媒バッファタンク14の入口とを連結する第1熱媒流路13aと、熱媒バッファタンク14の出口と第4流路6gとを連結する第2熱媒流路13bとから構成されている。熱媒流路13と第2流路6dとの連結部には、電磁三方弁12が設けられている。そして、第2流路6dと第1熱媒流路13aとの連結部と、第2熱媒流路13bと第4流路6gとの連結部の間の流路には、水素貯蔵タンク2及びポンプ9が配置されている。なお、電磁三方弁12は、熱媒の循環経路を水素貯蔵タンク2、第1流路6c、第2流路6d、第1熱媒流路13a、熱媒バッファタンク14、第2熱媒流路13b、第4流路6gの順に熱媒が通る第3経路に切り換える切り換え弁を構成する。
熱媒バッファタンク14は、第3経路を循環する熱媒の量より多くの量の熱媒を内部に貯留できるように構成されるとともに、外気の流通可能な位置に配置されている。そして、熱媒バッファタンク14の外表面には、複数の空冷フィン14aが環状に設けられている。
コンプレッサ4、モータ30、ポンプ9、電磁三方弁10〜12は、制御装置15からの指令によって運転あるいは切り換え制御されるようになっている。制御装置15は、指令信号をモータ9aに出力してポンプ9を駆動及び停止するようになっている。
次に前記のように構成された燃料電池システム1の作用を説明する。
燃料電池3は、環境温度が燃料電池3の発電が可能な予め設定された温度(設定温度)以上の場合に通常運転が行われる。制御装置15は、環境温度を計測する図示しない温度センサの検出信号に基づいて、環境温度が設定温度以上であれば始動時から通常運転を行い、環境温度が設定温度未満の場合には暖機を行った後、通常運転に移行する。なお、燃料電池3の暖機を行っている間、熱媒の循環経路は、電磁三方弁10〜12によって第1経路に切り換えられ、熱媒がラジエータ5及び熱媒バッファタンク14を通らずに水素貯蔵タンク2と燃料電池3との間を循環する状態に保持されている。そして、通常運転時には、水素貯蔵タンク2から水素が燃料電池3のアノード電極側に供給される。また、コンプレッサ4が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池3のカソード電極側に供給される。
燃料電池3は、環境温度が燃料電池3の発電が可能な予め設定された温度(設定温度)以上の場合に通常運転が行われる。制御装置15は、環境温度を計測する図示しない温度センサの検出信号に基づいて、環境温度が設定温度以上であれば始動時から通常運転を行い、環境温度が設定温度未満の場合には暖機を行った後、通常運転に移行する。なお、燃料電池3の暖機を行っている間、熱媒の循環経路は、電磁三方弁10〜12によって第1経路に切り換えられ、熱媒がラジエータ5及び熱媒バッファタンク14を通らずに水素貯蔵タンク2と燃料電池3との間を循環する状態に保持されている。そして、通常運転時には、水素貯蔵タンク2から水素が燃料電池3のアノード電極側に供給される。また、コンプレッサ4が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池3のカソード電極側に供給される。
また、固体高分子型燃料電池は、80℃程度で効率よく発電が行われるが、水素と酸素との化学反応は発熱反応のため、発電を継続すると、反応熱のため燃料電池3の温度が80℃程度の適正温度より上昇する。この温度上昇を防止するため、燃料電池3の通常運転時、第2経路内にラジエータ5で冷却された熱媒を循環させる。また、燃料電池3の運転時における水素吸蔵合金MHからの水素の放出は、吸熱反応のため、反応を円滑に進めるためには水素吸蔵合金MHを加熱する必要があり、燃料電池3の冷却後の温まった熱媒が水素吸蔵合金MHの加熱に使用される。
制御装置15は、燃料電池3の運転時に、モータ9aに駆動指令信号を出力しポンプ9によって熱媒を移送させるとともに、熱媒が熱媒流路13を流れずに第2流路6dを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁12に対して出力する。制御装置15は、熱媒が第1バイパス流路6fを流れずに、第2流路6dから第3流路6eに流れる状態、即ち、ラジエータ5を流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁10に対して出力する。また、制御装置15は、熱媒が第2バイパス流路6hを流れずに、第3流路6eから熱交換部6bを経て第4流路6gに流れる状態、即ち、燃料電池3の熱交換部6bを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁11に対して出力する。したがって、燃料電池3の運転時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁10,11,12によって第2経路に切り換えられ、熱媒が、熱媒バッファタンク14を経由せずに、水素貯蔵タンク2と、ラジエータ5と、燃料電池3との間を循環する状態に保持される。
また、燃料電池3の運転時、車両の走行によって走行風が熱媒を貯留している熱媒バッファタンク14に当たる。そして、外気としての走行風が熱媒バッファタンク14に当たると、熱媒バッファタンク14に貯留されている熱媒は、熱媒バッファタンク14を介して熱を放熱するため、熱媒バッファタンク14に貯留されている熱媒は冷却される。この時、空冷フィン14aによって熱媒バッファタンク14の外気への放熱効果は高くなっているため、熱媒バッファタンク14に貯留された熱媒の熱は効率よく放熱される。
制御装置15が、水素貯蔵タンク2内の圧力が低下して水素貯蔵タンク2内の水素が不足していることを検出すると、水素貯蔵タンク2に水素ガスを充填(貯蔵)する水素ガスの充填を水素カードル16が設置されている水素ステーションで行う。そして、電気自動車に搭載されている水素貯蔵タンク2の図示しないバルブを水素充填状態に切り換えて、水素貯蔵タンク2を水素カードル16の水素充填配管に図示しないカプラを介して接続する。そして、水素カードル16と水素貯蔵タンク2との圧力差により、水素貯蔵タンク2に水素ガスを充填する。
水素カードル16から水素貯蔵タンク2内に供給された水素ガスは、水素吸蔵合金MHと反応して水素化物となって水素吸蔵合金MHに吸蔵される。水素の吸蔵反応は、発熱反応であるので、水素の吸蔵反応で発生した熱を除去しないと吸蔵反応が円滑に進行しない。そこで、水素ガスを充填する際、制御装置15は、モータ9aに駆動指令信号を出力しポンプ9によって熱媒を移送させるとともに、熱媒が、ポンプ9を通過した後第2流路6dから分かれて熱媒流路13へ流れ込む状態に保持する指令信号を電磁三方弁12に対して出力する。したがって、水素貯蔵タンク2への水素ガスの充填時には、熱媒の循環経路は第3経路に切り換えられ、熱媒バッファタンク14に貯留されていた熱媒が熱媒流路13を流れるとともに燃料電池3を経由することなく水素貯蔵タンク2と熱媒バッファタンク14との間を循環する状態に保持される。この時、燃料電池3内に存在していた熱媒が、水素貯蔵タンク2に流れ込むことはない。したがって、熱媒が燃料電池3を通過することによる熱媒の温度上昇が引き起こされることはなく、水素貯蔵タンク2を効率よく冷却することができる。なお、水素吸蔵合金MHの発熱反応によって、第2の熱媒経路内を流れる熱媒温度が第1の熱媒経路内の熱媒温度より高くなったことが検知された場合は、制御装置15によって電磁三方弁10〜12を切り換え、熱媒バッファタンク14と熱交換部6bを経由せずにラジエータ5と水素貯蔵タンク2との間を循環する経路を形成する。そして、熱媒をラジエータ5でファン31を用いて冷却させ、引き続き水素貯蔵タンク2の冷却を行う。ここで、第2の熱媒経路内の熱媒温度が第1の熱媒経路内の熱媒温度より高くなったか否かの判断は、例えば、第2流路6d及び第2熱媒流路13bにそれぞれの流路6d,13bを流れる熱媒の温度を検出する温度センサを設け、制御装置15が各温度センサからの検出結果を比較することで判断する。
第1実施形態では、次の効果を得ることができる。
(1)燃料電池システム1は、熱媒が熱媒バッファタンク14を経由せずに燃料電池3と水素貯蔵タンク2との間を循環する第1の熱媒経路としての第1経路及び第2経路を備えている。また、燃料電池システム1は、熱媒が燃料電池3を経由せずに水素貯蔵タンク2と熱媒バッファタンク14との間で循環する第2の熱媒経路を備えている。そして、水素吸蔵合金MHの水素放出時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁10〜12によって第1の熱媒経路に切り換えられ、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁11〜12によって燃料電池3を経由せずに熱媒バッファタンク14と水素貯蔵タンク2との間を循環する第2の熱媒経路に切り換えられる。したがって、水素吸蔵合金MHの吸蔵時には、予め冷却された熱媒によって水素貯蔵タンク2を冷却することができるため、水素貯蔵タンク2の冷却を効率よく行うことができ、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に温められた熱媒は、次の水素充填作業を行うまでには熱媒バッファタンク14で冷却することができる。
(1)燃料電池システム1は、熱媒が熱媒バッファタンク14を経由せずに燃料電池3と水素貯蔵タンク2との間を循環する第1の熱媒経路としての第1経路及び第2経路を備えている。また、燃料電池システム1は、熱媒が燃料電池3を経由せずに水素貯蔵タンク2と熱媒バッファタンク14との間で循環する第2の熱媒経路を備えている。そして、水素吸蔵合金MHの水素放出時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁10〜12によって第1の熱媒経路に切り換えられ、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に、熱媒の循環経路は、電磁三方弁11〜12によって燃料電池3を経由せずに熱媒バッファタンク14と水素貯蔵タンク2との間を循環する第2の熱媒経路に切り換えられる。したがって、水素吸蔵合金MHの吸蔵時には、予め冷却された熱媒によって水素貯蔵タンク2を冷却することができるため、水素貯蔵タンク2の冷却を効率よく行うことができ、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に温められた熱媒は、次の水素充填作業を行うまでには熱媒バッファタンク14で冷却することができる。
(2)熱媒バッファタンク14の外表面には、空冷フィン14aが設けられている。このため、熱媒バッファタンク14に貯留されている熱媒の熱を効率よく放熱できるため、熱媒バッファタンク14の冷却効果を高くできる。
(3)熱媒流路13は、第2流路6dと、第4流路6gとを連結している。このため、熱媒の循環経路が、熱媒バッファタンク14と水素貯蔵タンク2との間を循環する第3経路に切り換えられた時、熱媒バッファタンク14から流れ出た熱媒は、燃料電池3だけでなく、ラジエータ5も通らない経路となっている。したがって、第1経路及び第2経路内の熱媒が、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に、第3経路に流入する量は少なくなっている。
(4)熱媒の流れる経路は、電磁三方弁12によって、第1の熱媒経路と、第2の熱媒経路とに切り換えられる。そして、電磁三方弁12の上流側にポンプ9が設けられている。ポンプ9は、燃料電池3を通さずに、水素貯蔵タンク2と熱媒バッファタンク14との間で熱媒を循環させる移送手段と、水素貯蔵タンク2と燃料電池3との間で熱媒を循環させる移送手段の両方を兼ねている。したがって、一つのポンプ9だけで、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時と水素吸蔵合金MHの水素放出時のどちらの場合においても、熱媒を移送することができる。
(5)熱媒バッファタンク14は、循環流路6を循環する熱媒の量より多くの量の熱媒を内部に貯留できるように構成されている。したがって、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時、水素貯蔵タンク2を通る熱媒を、極力、熱媒バッファタンク14で冷却された熱媒にすることができ、より冷却効率を上げることができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態を図2にしたがって説明する。この実施形態では、熱媒バッファタンク14の循環流路6に対する連結位置が前記第1実施形態と異なっている。その他の構成は前記第1実施形態とほぼ同じであり、第1実施形態と同様の構成部分は同一符号を付して説明を省略又は簡略する。
次に、第2実施形態を図2にしたがって説明する。この実施形態では、熱媒バッファタンク14の循環流路6に対する連結位置が前記第1実施形態と異なっている。その他の構成は前記第1実施形態とほぼ同じであり、第1実施形態と同様の構成部分は同一符号を付して説明を省略又は簡略する。
図2に示すように、熱媒バッファタンク14は、第1熱媒流路13a及び第2熱媒流路13bを介して第2流路6dに連結されており、第1熱媒流路13aは、第2熱媒流路13bより上流側に配置されている。そして、第1熱媒流路13aと第2流路6dとの連結部には、電磁三方弁17が設けられている。電磁三方弁10,11,17は、熱媒が循環する経路を、熱媒が水素貯蔵タンク2、第1流路6c、第2流路6d、第1熱媒流路13a、熱媒バッファタンク14、第2熱媒流路13b、第2流路6d、第1バイパス流路6f、第3流路6e、第2バイパス流路6h、第4流路6gを通る第2の熱媒経路としての第4経路に切り換える切り換え弁を構成しており、熱媒は燃料電池3を通らないようになっている。
制御装置15は、燃料電池3の運転時に、熱媒が熱媒流路13を流れずに第2流路6dを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁17に対して出力し、電磁三方弁10,11,17によって熱媒の循環経路を第2経路に切り換える。
水素ステーションにおいて水素ガスの充填を行う際は、制御装置15は、熱媒が熱媒バッファタンク14を流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁17に対して出力する。また、制御装置15は、熱媒が第2流路6dから第1バイパス流路6fを流れた後、第3流路6eを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁10に対して出力する。制御装置15は、熱媒が第3流路6eから燃料電池3を迂回するように第2バイパス流路6hを流れた後、第4流路6gを流れる状態に保持する指令信号を電磁三方弁11に対して出力する。すなわち、熱媒の循環経路は、電磁三方弁10,11,17によって第4経路に切り換えられ、熱媒が燃料電池3及びラジエータ5を迂回して水素貯蔵タンク2と熱媒バッファタンク14との間を循環する状態に保持される。
第2実施形態では、第1実施形態の(1)、(2)、(4)、(5)の効果の他に以下の効果を得ることができる。
(6)第1の熱媒経路としての第1経路及び第2経路を構成する循環流路6は、ラジエータ5と、ポンプ9と、第2バイパス流路6hと、電磁三方弁11とを備え、熱媒バッファタンク14は、ポンプ9とラジエータ5との間の流路である第2流路6dに連結されている。したがって、第2流路6dの配管をほとんど利用することができるとともに、熱媒バッファタンク14の連結位置の自由度が高くなる。
(6)第1の熱媒経路としての第1経路及び第2経路を構成する循環流路6は、ラジエータ5と、ポンプ9と、第2バイパス流路6hと、電磁三方弁11とを備え、熱媒バッファタンク14は、ポンプ9とラジエータ5との間の流路である第2流路6dに連結されている。したがって、第2流路6dの配管をほとんど利用することができるとともに、熱媒バッファタンク14の連結位置の自由度が高くなる。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態を図3にしたがって説明する。この実施形態では、主に、第3バイパス流路6i、ポンプ40、モータ40a、電磁三方弁41を新たに追加した点が前記第1実施形態と異なっている。その他の構成は前記第1実施形態とほぼ同じであり、第1実施形態と同様の構成部分は同一符号を付して説明を省略又は簡略する。
次に、第3実施形態を図3にしたがって説明する。この実施形態では、主に、第3バイパス流路6i、ポンプ40、モータ40a、電磁三方弁41を新たに追加した点が前記第1実施形態と異なっている。その他の構成は前記第1実施形態とほぼ同じであり、第1実施形態と同様の構成部分は同一符号を付して説明を省略又は簡略する。
図3に示すように、第2流路6dと第4流路6gとは、第3バイパス流路6iによって連結されている。そして、循環流路6は、ポンプ40から送り出された熱媒が、水素貯蔵タンク2、燃料電池3、熱媒バッファタンク14を経由せずにラジエータ5を経由する第5経路を第3の熱媒経路として構成する。また、循環流路6は、熱媒が燃料電池3及び熱媒バッファタンク14を経由せずに水素貯蔵タンク2とラジエータ5との間を循環する第4の熱媒経路としての第6経路を構成する。
第3バイパス流路6iには、モータ40aによって駆動されるポンプ40が設けられている。ポンプ40は、第5経路を循環する熱媒を第3バイパス流路6iからラジエータ5へ送るように構成されている。モータ40aは、図示しないバッテリから電力が供給されるようになっている。
第3バイパス流路6iは、電磁三方弁12よりラジエータ5側の第2流路6dに連結されるとともに、第2バイパス流路6hと第4流路6gの連結部と、第4流路6gと第2熱媒流路13bの連結部との間の第4流路6gに連結されている。また、第3バイパス流路6iと第4流路6gとの連結部には、電磁三方弁41が設けられている。電磁三方弁41は、ポンプ40より上流側に位置するとともに、熱媒を第4流路6gから第3バイパス流路6iへ流れ込ませるか、第4流路6gから水素貯蔵タンク2へ流れ込ませるかを切り換えることができるように構成されている。
電磁三方弁41は、熱媒が第2の熱媒経路としての第3経路と、第3の熱媒径路としての第5経路とでそれぞれ独立して循環する状態に切り換える切り換え弁を構成する。第5経路は、熱媒がポンプ40から第3バイパス流路6i、第2流路6d、ラジエータ5、第3流路6e、第2バイパス流路6h、第4流路6g、第3バイパス流路6iの順に流れる経路である。また、電磁三方弁12,41は、熱媒の循環経路を水素貯蔵タンク2から、第1流路6c、第2流路6d、ラジエータ5、第3流路6e、第2バイパス流路6h、第4流路6gの順に熱媒が流れる第6経路に切り換える切り換え弁を構成する。
ポンプ40及び電磁三方弁41は、制御装置15からの指令によって運転あるいは切り換え制御されるようになっている。制御装置15は、指令信号をモータ40aに出力してポンプ40を駆動及び停止するようになっている。
また、第2熱媒流路13bには、温度センサ42が設けられており、温度センサ42は、第2熱媒流路13bを流れる熱媒の温度を検出するとともに、その検出結果を制御装置15へ出力するように構成されている。
水素ステーションにおいて水素ガスの充填を行う際、制御装置15は、モータ9aに駆動指令信号を出力し、ポンプ9によって熱媒を移送させるとともに、熱媒が、ポンプ9を通過した後、第2流路6dから分かれて熱媒流路13へ流れ込む状態に保持する指令信号を電磁三方弁12に対して出力する。同時に、制御装置15は、モータ40aに駆動指令信号を出力し、ポンプ40によって熱媒を移送させるとともに、熱媒が、第4流路6gから分かれて第3バイパス流路6iへ流れ込む状態に保持する指令信号を電磁三方弁41に対して出力する。したがって、水素貯蔵タンク2への水素ガスの充填時に、第5経路と第3経路とは、それぞれ独立しており、第3経路を循環する熱媒によって水素貯蔵タンク2を冷却しつつ、第5経路を循環する熱媒はラジエータ5によって冷却される。そして、電磁三方弁10〜12,41によって熱媒の循環経路が第3経路に切り換えられると、第3経路を循環する熱媒は、水素吸蔵合金MHから発生した熱を吸収することによって徐々に温度が上昇する。制御装置15は、温度センサ42によって、熱媒流路13を流れる熱媒の温度が所定温度以上に達したことを検知すると、電磁三方弁12,41に指令信号を出力し、熱媒の循環経路を第6経路に切り換える。そして、熱媒の循環経路が第6経路に切り換えられると、第5経路を循環して冷却された熱媒が水素貯蔵タンク2に流れ込むため、水素ガスの充填時には、極力、温度の低い熱媒を水素貯蔵タンク2に流し込んで水素貯蔵タンク2を効率よく冷却することができる。
第3実施形態では、第1実施形態の(1)〜(5)の効果の他に以下の効果を得ることができる。
(7)循環流路6は、ラジエータ5を経由して熱媒が循環する第3の熱媒経路としての第5経路と第2の熱媒経路としての第3経路とをそれぞれ独立した経路として構成する。そして、制御装置15は、電磁三方弁12,41によって熱媒の循環経路を第6経路に切り換えることで、ラジエータ5によって冷却された熱媒を水素貯蔵タンク2に流し込むようになっている。したがって、水素貯蔵タンク2の冷却を効率よく行うことができ、水素貯蔵タンク2に対する水素充填時間の短縮を図ることができる。
(7)循環流路6は、ラジエータ5を経由して熱媒が循環する第3の熱媒経路としての第5経路と第2の熱媒経路としての第3経路とをそれぞれ独立した経路として構成する。そして、制御装置15は、電磁三方弁12,41によって熱媒の循環経路を第6経路に切り換えることで、ラジエータ5によって冷却された熱媒を水素貯蔵タンク2に流し込むようになっている。したがって、水素貯蔵タンク2の冷却を効率よく行うことができ、水素貯蔵タンク2に対する水素充填時間の短縮を図ることができる。
実施の形態は、前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 上記実施形態においては、燃料電池を駆動源とした電気自動車の燃料電池システムについて示したが、住宅やビル、工場など定置型の燃料電池システムに適用してもよい。
○ 上記実施形態においては、燃料電池を駆動源とした電気自動車の燃料電池システムについて示したが、住宅やビル、工場など定置型の燃料電池システムに適用してもよい。
○ 熱媒バッファタンク14は、熱媒を貯留可能で外気と熱交換可能な構造であれば、熱媒バッファタンク14の構造についてはとくに限定されない。
○ 熱媒バッファタンク14は、水素貯蔵タンク2を冷却できる程度の量の熱媒を貯留していればよく、熱媒バッファタンク14が貯留する熱媒の量は、とくに限定されない。したがって、水素貯蔵タンク2が貯蔵する熱媒の量は、第3経路又は第4経路を循環する熱媒の量より少なくてもよい。
○ 熱媒バッファタンク14は、水素貯蔵タンク2を冷却できる程度の量の熱媒を貯留していればよく、熱媒バッファタンク14が貯留する熱媒の量は、とくに限定されない。したがって、水素貯蔵タンク2が貯蔵する熱媒の量は、第3経路又は第4経路を循環する熱媒の量より少なくてもよい。
○ 熱媒バッファタンク14は、外気と熱交換可能であればよく、空冷フィン14aを省略してもよい。
○ 第2実施形態において、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に、ファン31を使用して、熱媒を冷却してもよい。この場合、ファン31によって生成される冷却風によりラジエータ5を通る熱媒が冷却されるため、燃料電池システム1の水素貯蔵タンク2に対する冷却効率を向上させることができる。ただし、図示しないバッテリは、その分、電力を消費するようになる。
○ 第2実施形態において、水素吸蔵合金MHの水素吸蔵時に、ファン31を使用して、熱媒を冷却してもよい。この場合、ファン31によって生成される冷却風によりラジエータ5を通る熱媒が冷却されるため、燃料電池システム1の水素貯蔵タンク2に対する冷却効率を向上させることができる。ただし、図示しないバッテリは、その分、電力を消費するようになる。
○ 第2実施形態において、熱媒バッファタンク14を連結する循環流路6の位置を変更してもよい。熱媒流路13は、第1流路6c、第2流路6d、第3流路6eのうちのラジエータ5と電磁三方弁11との間の流路、第4流路6gのうちのいずれか一つの流路に連結されていればよい。
○ 第3実施形態において、熱媒の温度を計測する温度センサを設ける箇所を変更してもよい。例えば、温度センサを第3バイパス流路6iに設けてもよい。この場合、第3バイパス流路6iを流れる熱媒が所定温度まで低下したことが温度センサによって検知された時に、制御装置15は、電磁三方弁12,41に指令信号を出力し、熱媒の循環経路を第4の熱媒経路としての第6経路に切り換える。このように構成しても、温度の低い熱媒を水素貯蔵タンク2に流し込むことができる。
○ 第3実施形態において、温度センサ42を省略してもよい。この場合、まず、予め、熱媒の循環経路が第3経路に切り換えられてから、第3経路を循環する熱媒が所定温度に上昇するまでの時間を試験を行うことで推定し、この推定結果を制御装置15に記憶させる。そして、制御装置15は、水素ステーションにおいて水素ガスの充填を実際に行う時には、第3経路に切り換えてから予め記憶しておいた所定時間が経過したと判断すると、電磁三方弁12,41に指令信号を出力し、熱媒の循環経路を第6経路に切り換える。このように構成しても、温度の低い熱媒を水素貯蔵タンク2に流し込むことができる。
○ 第3実施形態において、熱媒が熱媒バッファタンク14、水素貯蔵タンク2及び燃料電池3を経由せずにラジエータ5を経由する第3の熱媒経路としての第5経路を、第3経路とは独立させて設けることができるのであれば、第3バイパス流路6iを省略してもよい。例えば、第1バイパス流路6fにモータによって駆動するポンプを設け、ポンプは、熱媒を第1バイパス流路6fからラジエータ5へ送るように構成する。そして、制御装置15は、第3経路に切り換えると同時に、熱媒が第3流路6eから分かれて第1バイパス流路6fに流れ込む状態に保持する指令信号を電磁三方弁10に対して出力するように構成する。このように構成すれば、第3バイパス流路6iを省略しても、水素貯蔵タンク2への水素ガスの充填時に、熱媒は、第3経路とは独立してポンプ、第1バイパス流路6f、ラジエータ5、第3流路6e、第1バイパス流路6fを循環する。また、第1バイパス流路6fを利用して第5経路を設けることができるため、第5経路を設けることで配管が増加してしまうことを回避できる。
○ 熱媒として用いるのは、不凍液(ロングライフクーラント)に限らない。
○ 燃料電池3は固定高分子型の燃料電池に限らず、例えば、リン酸型燃料電池やアルカリ型燃料電池等、燃料電池を冷却するのに熱媒体を使用する燃料電池であればよい。
○ 燃料電池3は固定高分子型の燃料電池に限らず、例えば、リン酸型燃料電池やアルカリ型燃料電池等、燃料電池を冷却するのに熱媒体を使用する燃料電池であればよい。
○ 燃料電池システム1は、1つの燃料電池3と1つの水素貯蔵タンク2とが連結された構成に限らず、1つの燃料電池3に複数の水素貯蔵タンク2から水素を供給するシステムとしてもよい。
○ 水素貯蔵タンク2は水素吸蔵合金MH以外の水素吸蔵材、例えば、活性炭素繊維(activated carbon fiber)や単層カーボンナノチューブを収容した構成としてもよい。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
(1) 前記第1の熱媒経路を構成する流路には、前記水素吸蔵材の水素放出時及び前記水素吸蔵材の水素吸蔵時に熱媒を移送するポンプが設けられている請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
(2) 外気と熱媒との熱交換が可能に構成されたラジエータと、熱媒が前記熱媒バッファタンク、前記燃料電池、前記水素貯蔵タンクを経由せずに前記ラジエータを経由する第3の熱媒経路と、前記燃料電池、前記熱媒バッファタンクを経由せずに前記水素貯蔵タンクと前記ラジエータとの間を循環する第4の熱媒経路とを備え、前記切り換え弁は、前記水素吸蔵材の水素吸蔵時には、熱媒が前記第2の熱媒経路を循環するとともに前記第2の熱媒経路とは別に独立して前記第3の熱媒経路を循環する状態に切り換え、前記第2の熱媒経路又は前記第3の熱媒経路における熱媒の温度が所定温度に達した時には、熱媒が前記第4の熱媒経路を循環する状態に切り換える請求項2又は請求項3に記載の燃料電池システム。
MH…水素吸蔵材としての水素吸蔵合金、1…燃料電池システム、2…水素貯蔵タンク、3…燃料電池、5…ラジエータ、6…循環流路、6c…流路としての第1流路、6d…流路としての第2流路、6e…流路としての第3流路、6g…流路としての第4流路、9…ポンプ、11…切り換え弁としての電磁三方弁、12…切り換え弁としての電磁三方弁、13…熱媒流路、14…熱媒バッファタンク、14a…空冷フィン、17…切り換え弁としての電磁三方弁、41…切り換え弁としての電磁三方弁。
Claims (4)
- 水素吸蔵材を内蔵した水素貯蔵タンクから燃料電池へ水素を供給し、前記水素吸蔵材からの水素放出時における水素吸蔵材の加熱に前記燃料電池を冷却後の熱媒を使用する燃料電池システムであって、
外気の流通可能な位置に設けられ、熱媒を貯留可能で外気と熱交換可能な熱媒バッファタンクと、
熱媒が前記熱媒バッファタンクを経由せずに前記燃料電池と前記水素貯蔵タンクとの間を循環する第1の熱媒経路と、
熱媒が前記燃料電池を経由せずに前記熱媒バッファタンクと前記水素貯蔵タンクとの間を循環する第2の熱媒経路と、
前記水素吸蔵材の水素放出時には、熱媒が前記第1の熱媒経路を循環する状態に切り換え、前記水素吸蔵材の水素吸蔵時には、熱媒が前記第2の熱媒経路を循環する状態に切り換える切り換え弁と
を備える燃料電池システム。 - 車両に搭載されている請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記熱媒バッファタンクの外表面には、空冷フィンが設けられている請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記第1の熱媒経路を構成する流路は、外気と熱媒との熱交換が可能に構成されたラジエータと、熱媒を移送するポンプと、熱媒が前記燃料電池を迂回するバイパス通路と、熱媒が前記バイパス通路を通過する状態と通過しない状態とに切り換える切り換え弁とを備え、前記熱媒バッファタンクは、前記水素貯蔵タンクと前記ポンプとの間の流路、前記ポンプと前記ラジエータとの間の流路、前記ラジエータと前記切り換え弁との間の流路、前記燃料電池と前記水素貯蔵タンクとの間の流路のうちのいずれか一つの流路に連結されている請求項2又は請求項3に記載の燃料電池システム。
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