WO2010143246A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの温度調整方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池システムの温度調整方法 Download PDF

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智彦 金子
啓之 今西
康弘 長田
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a temperature adjustment method for the fuel cell system.
  • a fuel cell and a valve of a gas piping system that supplies and discharges a reaction gas (fuel gas and oxidizing gas) to the fuel cell.
  • a reaction gas fuel gas and oxidizing gas
  • pumps are provided. It is desirable to maintain these system parts within a certain temperature range.
  • a fuel cell can improve power generation efficiency by maintaining it in a certain temperature range.
  • the gas piping system at a certain temperature or higher, it is possible to prevent, for example, water in the pipe line from being frozen and the pipe line from being blocked or a pipe valve or pump from adhering.
  • the present invention has been made in view of the above points, and in a fuel cell system, a predetermined system portion such as a valve of a gas piping system is kept in an appropriate temperature range while preventing an increase in size and cost of the system. Its purpose is to maintain.
  • the present invention for achieving the above object is a fuel cell system, comprising a fuel cell and a converter circuit for transforming an output voltage of the fuel cell, wherein the converter circuit discharges the electric charge of the circuit.
  • the discharge device is provided in the vicinity of a predetermined system portion constituting the fuel cell system so as to be able to exchange heat with the system portion. “Near” includes the case where the discharge device is in contact with the system portion.
  • a converter circuit discharge device provided so as not to receive an electric shock during maintenance can be provided in the vicinity of the system portion and heat exchange can be performed. Therefore, the temperature range of the system portion can be set using the existing discharge device. Can be maintained. Therefore, it is possible to maintain a predetermined system portion of the fuel cell system in an appropriate temperature range while preventing an increase in size and cost of the fuel cell system.
  • the system portion may include a gas piping system portion of gas used for power generation of the fuel cell.
  • the gas piping system portion may be a fuel gas gas piping system portion.
  • the gas piping system part may be a valve.
  • the fuel cell may be included in the system part.
  • a temperature adjustment method for a fuel cell system having a fuel cell and a converter circuit that transforms an output voltage of the fuel cell, the discharge device discharging electric charges of the converter circuit, and the fuel cell system
  • the heat exchange is performed with a predetermined system part constituting the system.
  • the system portion of the fuel cell system can be maintained in an appropriate temperature range while preventing an increase in size and cost of the fuel cell system.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration of a fuel cell system 1 according to the present embodiment.
  • the fuel cell system 1 is applied to an on-vehicle power generation system of a fuel cell vehicle (moving body) will be described.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 10 that generates power by receiving supply of reaction gas (oxidizing gas and fuel gas), and an oxidation that supplies oxidizing gas (for example, air) to the fuel cell 10.
  • reaction gas oxidizing gas and fuel gas
  • oxidation that supplies oxidizing gas (for example, air) to the fuel cell 10.
  • a gas piping system 11 and a hydrogen gas piping system 12 for supplying hydrogen gas as a fuel gas to the fuel cell 10 are provided.
  • the fuel cell 10 has a stack structure in which a required number of single cells (single cells) that generate power upon receipt of reaction gas are stacked.
  • the fuel cell 10 is connected to a DC-DC converter 14 that transforms the output voltage of the fuel cell 10 and a power control unit 15 that controls the generated power.
  • the oxidizing gas piping system 11 includes, for example, a humidifier 20, a gas supply passage 21 that supplies the oxidizing gas humidified by the humidifier 20 to the fuel cell 10, and the oxidizing off-gas discharged from the fuel cell 10 to the humidifier 20.
  • a gas discharge passage 22 for sending and a gas exhaust passage 23 for discharging the oxidizing off gas of the humidifier 20 to the outside are provided.
  • the gas supply passage 21 is provided with a compressor 24 and the like that take in the oxidizing gas in the atmosphere and pump it to the humidifier 20.
  • the hydrogen gas piping system 12 includes, for example, a hydrogen tank 30 as a fuel supply source that stores high-pressure (for example, 70 MPa) hydrogen gas, and a gas supply channel 31 for supplying the hydrogen gas in the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10.
  • a circulation flow path 32 for returning the hydrogen off gas discharged from the fuel cell 10 to the gas supply flow path 31 is provided.
  • the gas supply flow path 31 functions as an original valve of the hydrogen tank 30 and shuts off or allows the supply of hydrogen gas from the hydrogen tank 30 to the fuel cell 10 side, and the hydrogen gas pressure is preset.
  • a regulator 34 for reducing the pressure to the secondary pressure and a pressure regulator 35 such as an injector for adjusting the flow rate and gas pressure of the hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 with high accuracy are provided.
  • the circulation channel 32 is provided with, for example, an ion exchanger 36 that removes water and impurities from the hydrogen off-gas, and a hydrogen pump 37 that pressurizes the hydrogen off-gas in the circulation channel 32 and pumps it to the gas supply channel 31 side. ing.
  • the ion exchanger 36 is connected to a discharge flow path 38 that discharges water separated by the ion exchanger 36 and a part of the hydrogen off-gas to the outside.
  • the discharge flow path 38 is provided with a discharge control valve 39 that controls the discharge of water and a part of the hydrogen off-gas from the ion exchanger 36.
  • the converter circuit 50 of the DC-DC converter 14 includes a choke coil 60 connected to the fuel cell 10, a switching element 61, a diode 62, a capacitor 63, a discharge resistor 64 as a discharge device, and the like. ing.
  • the discharge resistor 64 can discharge the charge stored in the converter circuit 50.
  • the converter circuit 50 is connected to the power control unit 15 via a relay 65, for example.
  • the discharge resistor 64 of the converter circuit 50 is disposed in a valve case 70 of a discharge control valve 39 as a system portion of the circulation flow path 32 of the hydrogen gas piping system 12 as shown in FIG. 3, for example.
  • the discharge resistor 64 is installed, for example, so as to pass in parallel in the vicinity of the discharge control valve 39 in the valve case 70. Thereby, heat exchange can be performed between the discharge resistor 64 and the discharge control valve 39.
  • hydrogen gas is supplied from the hydrogen tank 30 shown in FIG. 1 to the fuel cell 10 through the gas supply channel 31, and the gas supply channel 21.
  • an oxidizing gas air
  • power is generated by an electrochemical reaction between hydrogen gas and oxidizing gas.
  • the hydrogen off-gas discharged from the fuel cell 10 is flowed through the circulation flow path 32, partly returned to the gas supply flow path 31 through the ion exchanger 36, and partly discharged through the discharge flow path 38.
  • the oxygen off gas discharged from the fuel cell 10 flows through the gas discharge channel 22, passes through the humidifier 22, and is discharged through the gas exhaust channel 23.
  • the output voltage generated by the fuel cell 10 is boosted to a predetermined voltage.
  • the electric charge stored in the converter circuit 50 is discharged by the discharge resistor 64.
  • the discharge control valve 39 in the vicinity is warmed by the heat generated by the discharge of the discharge resistor 64.
  • the discharge resistor 64 of the converter circuit 50 of the DC-DC converter 14 is provided in the vicinity of the discharge control valve 39 so that heat can be exchanged.
  • the discharge control valve 39 can be maintained in an appropriate temperature range by using the discharge resistor 64 provided in. Therefore, it is possible to prevent the discharge control valve 39 from being stuck due to freezing while preventing the fuel cell system 1 from being increased in size and cost.
  • the discharge resistor 64 is provided in the vicinity of the discharge control valve 39 to perform heat exchange.
  • the discharge resistor 64 is another part of the hydrogen gas piping system, for example, as shown in FIG. Provided in the vicinity of the ion exchanger 36, pump 37, pressure regulator 35, regulator 34, shut-off valve 33, gas supply channel 31 and circulation channel 32 in the hydrogen gas piping system 12. Replacement may be performed to maintain each system part within the proper temperature range. By doing so, it is possible to prevent, for example, sticking or blockage of each system part due to freezing.
  • the discharge resistor 64 is a part of the oxygen gas piping system 11, for example, the humidifier 20, the compressor 24, the gas supply passage 21, the gas discharge passage 22, and the gas exhaust passage 23.
  • Each system portion may be maintained in an appropriate temperature range by providing heat exchangers in the vicinity.
  • the discharge resistor 64 may be provided in the vicinity of the fuel cell 10.
  • the discharge resistors 64 may be attached to both surfaces of the case 80 of the fuel cell 10 in the stacking direction (X direction in FIG. 5).
  • the temperature of the fuel cell 10 is maintained in an appropriate temperature range, and for example, the temperature rise at the start of the fuel cell 10 can be performed more quickly.
  • the power generation efficiency of the fuel cell 10 during normal operation can be improved.
  • the discharge resistor 64 may be provided so as to cover the entire surface of both sides of the case 80 in the stacking direction. Further, the discharge resistor 64 may be provided on the other surface of the case 80, and may be one surface or a plurality of surfaces.
  • the discharge resistor 64 may be attached to the corner 80a of the case 80 of the fuel cell 10 as shown in FIG. By doing so, the case 80 having a low temperature can be warmed around the corner 80a, so that the temperature of the entire case 80 can be adjusted more uniformly.
  • the discharge resistor 64 may be provided at one corner 80a of the case 80, or may be provided at a plurality of corners 80a.
  • the fuel cell system mounted on the fuel cell vehicle has been described in the above embodiment, the fuel cell system may be mounted on various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. Good. Further, the fuel cell system may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
  • the present invention is useful for maintaining a predetermined system portion in an appropriate temperature range while preventing an increase in system size and cost in a fuel cell system.

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Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、システムの大型化やコストの上昇を防止しつつ、ガス配管系の弁などの所定のシステム部分を適正な温度範囲に維持する。 【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータ回路を有する。コンバータ回路は、当該回路の電荷を放電する放電装置を有する。放電装置は、燃料電池システムを構成する所定のシステム部分の近傍に熱交換可能に設けられている。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの温度調整方法
　本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの温度調整方法に関する。
　例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、当該システムを構成するシステム部分として、燃料電池や、当該燃料電池に反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）を給排するガス配管系の弁やポンプなどが設けられている。これらのシステム部分は、一定の温度範囲に維持することが望ましい。例えば燃料電池は、一定の温度範囲に維持することにより発電効率を向上できる。また例えばガス配管系は、一定の温度以上に維持することにより、例えば管路内の水分が凍結し管路が閉塞したり管路の弁やポンプが固着することを防ぐことができる。
特開２００７－２０７５８２号公報
　しかしながら、燃料電池システムに、システム部分の温度を維持する装置を新たに設けると、システムが大型化し、コストも上がる。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、システムの大型化、コストの上昇を防止しつつ、ガス配管系の弁などの所定のシステム部分を適正な温度範囲に維持することをその目的とする。
　上記目的を達成させるための本発明は、燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータ回路と、を有し、前記コンバータ回路は、当該回路の電荷を放電する放電装置を有し、前記放電装置は、燃料電池システムを構成する所定のシステム部分の近傍に当該システム部分と熱交換可能に設けられていることを特徴とする。なお、「近傍」には、放電装置がシステム部分に接触している場合も含まれる。
　本発明によれば、例えばメンテナンス時に作業員が感電しないように設けられたコンバータ回路の放電装置をシステム部分の近傍に設けて熱交換できるので、既存の放電装置を用いてシステム部分の温度範囲を維持することができる。よって、燃料電池システムの大型化やコストの上昇を防止しつつ、燃料電池システムの所定のシステム部分を適正な温度範囲に維持することができる。
　前記システム部分には、前記燃料電池の発電に用いられるガスのガス配管系の部分が含まれていてもよい。
　前記ガス配管系部分は、燃料ガスのガス配管系の部分であってもよい。
　前記ガス配管系部分は、弁であってもよい。
　前記システム部分には、燃料電池が含まれていてもよい。
　別の観点によれば、燃料電池と当該燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータ回路を有する燃料電池システムの温度調整方法であって、前記コンバータ回路の電荷を放電する放電装置と、前記燃料電池システムを構成する所定のシステム部分との間で熱交換させることを特徴とする。
　本発明によれば、燃料電池システムの大型化やコストの上昇を防止しつつ、燃料電池システムのシステム部分を適正な温度範囲に維持できる。
燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。 コンバータ回路の構成の概略を示す説明図である。 放電抵抗が近傍に設けられた排出制御弁の構成を示す説明図である。 燃料電池システムの各システム部分に放電抵抗を配置した例を示す説明図である。 燃料電池にＤＣ－ＤＣコンバータの放電抵抗を設けた例を示す説明図である。 燃料電池のケースの角部に放電抵抗を設けた例を示す説明図である。
　以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。
　燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２等を備えている。
　燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池（単セル）を所要数積層して構成したスタック構造を有している。 燃料電池１０には、燃料電池１０の出力電圧を変圧するＤＣ－ＤＣコンバータ１４や、発電された電力を制御するパワーコントロールユニット１５が接続されている。
　酸化ガス配管系１１は、例えば加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給するガス供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送るガス排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出するガス排気流路２３を備えている。ガス供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４等が設けられている。
　水素ガス配管系１２は、例えば高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するためのガス供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。
　ガス供給流路３１には、例えば水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。
　循環流路３２には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。
　例えば図２に示すようにＤＣ－ＤＣコンバータ１４のコンバータ回路５０は、燃料電池１０に接続されたチョークコイル６０、スイッチング素子６１、ダイオード６２、コンデンサ６３、放電装置としての放電抵抗６４等を有している。放電抵抗６４は、コンバータ回路５０に蓄電された電荷を放電できる。コンバータ回路５０は、例えばリレー６５を介してパワーコントロールユニット１５に接続されている。
　コンバータ回路５０の放電抵抗６４は、例えば図３に示すように水素ガス配管系１２の循環流路３２のシステム部分としての排出制御弁３９の弁ケース７０内に配置されている。放電抵抗６４は、例えば弁ケース７０内の排出制御弁３９の近傍の上下を平行に通るように設置されている。これにより、放電抵抗６４と排出制御弁３９との間で熱交換できる。
　次に、以上のように構成された燃料電池システム１の動作について説明する。
　例えば燃料電池システム１が作動し、燃料電池１０において発電が行われる際には、図１に示す水素タンク３０からガス供給流路３１を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給され、ガス供給流路２１を通じて燃料電池１０に酸化ガス（空気）が供給される。燃料電池１０では、水素ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電される。燃料電池１０から排出された水素オフガスは、循環流路３２を通じて流され、イオン交換器３６を通じて一部がガス供給流路３１に戻され、一部が排出流路３８を通じて排出される。また、燃料電池１０から排出された酸素オフガスは、ガス排出流路２２を通じて流され、加湿器２２を通過後にガス排気流路２３を通じて排出される。
　燃料電池システム１の作動時のＤＣ－ＤＣコンバータ１４では、燃料電池１０で発電された出力電圧が所定の電圧に昇圧される。このときコンバータ回路５０に蓄電された電荷は、放電抵抗６４により放電される。そして、放電抵抗６４の放電に伴う発熱により、近傍にある排出制御弁３９が温められる。
　以上の実施の形態によれば、ＤＣ－ＤＣコンバータ１４のコンバータ回路５０の放電抵抗６４が、排出制御弁３９の近傍に熱交換可能に設けられているので、例えばメンテナンス時に作業員が感電しないように設けられている放電抵抗６４を用いて、排出制御弁３９を適正な温度範囲に維持することができる。よって、燃料電池システム１の大型化やコストの上昇を防止しつつ、凍結による排出制御弁３９の固着を防止できる。
　以上の実施の形態では、放電抵抗６４を排出制御弁３９の近傍に設けて熱交換を行っていたが、放電抵抗６４は、水素ガスのガス配管系の他の部分、例えば図４に示すように水素ガス配管系１２のイオン交換器３６、ポンプ３７、調圧装置３５、レギュレータ３４、遮断弁３３、ガス供給流路３１の管路、循環流路３２の管路等の近傍に設けて熱交換を行って各システム部分を適正な温度範囲に維持してもよい。こうすることにより、例えば各システム部分の凍結による固着や閉塞等を防止できる。
　また、放電抵抗６４は、酸素ガス配管系１１の部分、例えば加湿器２０、コンプレッサ２４、ガス供給流路２１の管路、ガス排出流路２２の管路、ガス排気流路２３の管路の近傍に設けて熱交換を行って各システム部分を適正な温度範囲に維持してもよい。
　さらに、放電抵抗６４は、燃料電池１０の近傍に設けられていてもよい。例えば図５に示すように放電抵抗６４を燃料電池１０のケース８０のスタック積層方向（図５のＸ方向）の両面に面状に貼り付けてもよい。かかる場合、燃料電池１０の温度が適正な温度範囲に維持され、例えば燃料電池１０の始動時の温度上昇をより早く行うことができる。また、燃料電池１０が低温にならないので、通常運転時の燃料電池１０の発電効率を向上できる。なお、放電抵抗６４は、ケース８０のスタック積層方向の両面の全面を覆うように設けられてもよい。また、放電抵抗６４は、ケース８０の他の面に設けられていてもよく、一面であっても複数面であってもよい。
　また、図６に示すように放電抵抗６４を燃料電池１０のケース８０の角部８０ａに貼り付けてもよい。こうすることにより、温度が低いケース８０の角部８０ａを中心に温められるので、ケース８０全体をより均一に温度調整できる。なお、放電抵抗６４は、ケース８０の一つの角部８０ａに設けられていてもよく、複数の角部８０ａに設けられていてもよい。
　以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムについて説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。
　本発明は、燃料電池システムにおいて、システムの大型化、コストの上昇を防止しつつ、所定のシステム部分を適正な温度範囲に維持する際に有用である。
　　１　燃料電池システム
　１０　燃料電池
　１４　ＤＣ－ＤＣコンバータ
　５０　コンバータ回路
　６４　放電抵抗

Claims (6)

  1. 燃料電池システムであって、
    　燃料電池と、
    前記燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータ回路と、を有し、
    　前記コンバータ回路は、当該コンバータ回路の電荷を放電する放電装置を有し、
    　前記放電装置は、燃料電池システムを構成する所定のシステム部分の近傍に当該システム部分と熱交換可能に設けられていることを特徴とする、燃料電池システム。
  2. 　前記システム部分には、前記燃料電池の発電に用いられるガスが流れるガス配管系の部分が含ま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. 　前記ガス配管系の部分は、燃料ガスのガス配管系の部分であることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記ガス配管系の部分は、弁であること特徴とする、請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記システム部分には、燃料電池が含まれることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 　燃料電池と当該燃料電池の出力電圧を変圧するコンバータ回路を有する燃料電池システムの温度調整方法であって、
    　前記コンバータ回路の電荷を放電する放電装置と、前記燃料電池システムを構成する所定のシステム部分との間で熱交換させることを特徴とする、燃料電池システムの温度調整方法。
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