(57)【要約】【課題】分岐配管を流れる冷却水の総流量を削減し、構成の小型化、簡単化を図ることを課題とする。【解決手段】冷却系配管の任意の位置に連結されて分岐し、冷却水が分流する複数の分岐配管１１−１〜１１−４が流路選択装置１０に連結され、連結された複数の分岐配管１１−１〜１１−４の内、いずれか１つの分岐配管が流路選択装置１０で選択され、選択された分岐配管を、選択された分岐配管が連結された冷却系配管の位置の圧力よりも低い圧力の圧力低位置に連通し、選択された分岐配管を介して冷却系配管を流れる冷却水を圧力低位置に分流するように構成される。【選択図】      図１
2004349204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気と水素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却水が循環され、循環される冷却水が熱交換される冷却系配管とを有する燃料電池システムにおいて、
前記冷却系配管の任意の位置に連結されて分岐し、冷却水が分流する複数の分岐配管と、
前記複数の分岐配管が連結され、連結された前記複数の分岐配管の内、いずれか１つの分岐配管を選択し、選択された分岐配管を、選択された前記分岐配管が連結された前記冷却系配管の位置の圧力よりも低い圧力の圧力低位置に連通し、選択された分岐配管を介して前記冷却系配管を流れる冷却水を前記圧力低位置に分流する流路選択手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記流路選択手段は、
連結された前記分岐配管を択一的に選択制御する制御手段を設けた
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記流路選択手段は、
前記燃料電池システムの運転状態に応じて、いずれか１つの前記分岐配管を選択して冷却水を分流している連通時間を、それぞれの分岐配管毎に可変としている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記流路選択手段は、
前記燃料電池をエア抜きモードで運転する場合には、前記冷却系配管の内、エアが溜まりやすい位置に連結された分岐配管を含めた複数の分岐配管を択一的に選択し、前記燃料電池をイオン除去モードで運転する場合には、冷却水に含まれるイオンを除去するフィルタに連結された分岐配管を含めた複数の分岐配管を択一的に選択する
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の冷却系配管に複数の分岐配管を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池には、大量の高温の蒸気あるいは熱水を外部に供給する目的で、燃料電池の冷却系配管から排出される高温の蒸気、もしくは熱水を外部に取り出すバイパス回路が設けられたものがある（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、燃料電池を冷却する冷却系に、冷却系の配管に溜まったエアを抜くためのバイパス配管、あるいは冷却水中のイオンを除去するフィルタを通すためのバイパス配管が複数設けられたものがある。このようなバイパス配管を冷却系に備えた燃料電池システムとしては、例えば図７に示すように構成されたものがある。
【０００４】
図７において、従来の燃料電池システムは、燃料電池７０、冷却系配管に冷却水を循環させるポンプ７１、冷却系配管に流れる冷却水を熱交換する熱交換器７２、暖まった冷却水を冷却するラジエター７３、冷却水を貯留するリザーバタンク７４、冷却水に含まれるイオンを除去するイオン除去フィルタ７５、ならびに３方弁７６を備えている。
【０００５】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池７０から冷却系配管に排出された冷却水は、３方弁７６を介してラジエター７３に流入して冷却され、ラジエター７３で冷却された冷却水はリザーバタンク７４に流入し、リザーバタンク７４から冷却系配管に排出された冷却水はポンプ７１を介して熱交換器７２に与えられて熱交換され、燃料電池７０に流入することで冷却水を循環させ、燃料電池を冷却している。一方、ラジエター７３で冷却水を冷却する必要がない場合には、３方弁７６を切り換えて燃料電池７０から排出された冷却水をポンプ７１に与え、冷却水を循環させるようにしている。
【０００６】
また、図７に示す従来の燃料電池システムは、バイパス配管７７−１、７７−２、７７−３、７７−４を備えている。バイパス配管７７−１、７７−２、７７−３は、冷却系配管の内、エアの溜まりやすい箇所とリザーバタンク７４との間を連結して設けられている。ポンプ７１が駆動されて冷却水が循環されている場合には、大気圧に開放されたリザーバタンク７４の内部圧力は、バイパス配管７７−１、７７−２、７７−３、７７−４と冷却系配管との分岐点の圧力よりも低くなるように設定されている。したがって、ポンプ７１が駆動されて冷却水が循環されている場合には、冷却系配管を流れる冷却水の一部は、バイパス配管７７−１、７７−２、７７−３を介してリザーバタンク７４に流れ込み、冷却系配管に溜まったエアはリザーバタンク７４から大気に開放されて除去される。
【０００７】
バイパス配管７７−４は、イオン除去フィルタ７５とリザーバタンク７４とを連結して設けられている。ポンプ７１が駆動されて冷却水が循環されている場合には、冷却系配管を流れる冷却水の一部は、イオン除去フィルタ７５に流入し、冷却水に含まれるイオンが除去される。イオン除去フィルタ７５から排出された冷却水はバイパス配管７７−４を介してリザーバタンク７４に流れ込み、再び冷却系配管を循環する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−１１４４１１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、エア抜き用のバイパス配管、冷却水をイオン除去フィルタを通すためのバイパス配管を複数備えた従来の燃料電池システムにおいては、これらのバイパス配管を流れる冷却水の総流量が増加し、本来の目的である燃料電池を冷却する冷却水の流量が減少するという問題があった。
【００１０】
また、燃料電池を冷却する本来の目的のために使用される冷却水の必要流量を確保するためには、バイパス配管を流れる冷却水のバイパス流量を含めた総流量の冷却水を循環させるだけの駆動能力が、冷却水を循環駆動するポンプに要求されていた。このため、ポンプの容量の増加、大型化という問題を招いていた。
【００１１】
さらに、燃料電池システム内に、複数のバイパス配管を設置しなければならないので、必要スペースの増大、配管の複雑化という問題があった。
【００１２】
また、燃料電池システムの運転時には、バイパス配管に流れる冷却水を必要としない場合や、バイパス配管に流れる冷却水が間欠でよい場合がほとんどであり、バイパス流量が無駄になるといった問題があった。
【００１３】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、分岐配管を流れる冷却水の総流量を削減し、構成の小型化、簡単化を図った燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、空気と水素の供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水が循環され、循環される冷却水が熱交換される冷却系配管とを有する燃料電池システムにおいて、前記冷却系配管の任意の位置に連結されて分岐し、冷却水が分流する複数の分岐配管と、前記複数の分岐配管が連結され、連結された前記複数の分岐配管の内、いずれか１つの分岐配管を選択し、選択された分岐配管を、選択された前記分岐配管が連結された前記冷却系配管の位置の圧力よりも低い圧力の圧力低位置に連通し、選択された分岐配管を介して前記冷却系配管を流れる冷却水を前記圧力低位置に分流する流路選択手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
本発明によれば、択一的に選択された分岐配管にのみ、冷却系配管を循環する冷却水を分流させるようにしたので、分岐配管の総流量を削減することができる。これにより、燃料電池の冷却に必要な本来の冷却水の流量を確保することができる。また、分岐配管の総流量が削減されることにより、構成の小型化ならびに単純化を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す第１の実施形態の燃料電池システムの特徴とするところは、図７に示す従来の燃料電池システムに比べて、冷却系配管の内、エアの溜まりやすい箇所とリザーバタンク７４との間を連結して設けられたバイパス配管７７−１、７７−２、７７−３、ならびにイオン除去フィルタ７５とリザーバタンク７４とを連結して設けられたバイパス配管７７−４に代えて、流路選択装置１０を備え、さらに冷却系配管の内、エアの溜まりやすい箇所と流路選択装置１０とを連結する分岐配管１１−１、１１−２、１１−３、イオン除去フィルタ７５と流路選択装置１０とを連結する分岐配管１１−４、ならびに流路選択装置１０とリザーバタンク７４とを連結する配管１２を備えて構成したことにあり、他は図７に示すものと同様である。
【００１７】
図１において、流路選択装置１０には、分岐配管１１−１、１１−２、１１−３、１１−４ならびに配管１２が連結されている。流路選択装置１０は、連結された分岐配管１１−１、１１−２、１１−３、１１−４の中からいずれか１つの分岐配管を選択し、選択した分岐配管１１−１、１１−２、１１−３又は１１−４と配管１２を連通させ、選択された分岐配管１１−１、１１−２、１１−３又は１１−４を介して流入された冷却水を配管１２へ導入する。
【００１８】
分岐配管１１−１、１１−２ならびに１１−３は、冷却系配管の内、エアが溜まりやすい箇所と流路選択装置１０との間を連結し、冷却系配管のエアが溜まりやすい箇所から冷却水を分岐して流路選択装置１０に導入する。分岐配管１１−１は、図１では例えば熱交換器７２と燃料電池７０との間の冷却系配管と流路選択装置１０との間を連結し、分岐配管１１−２は、図１では例えば燃料電池７０と３方弁７６との間の冷却系配管と流路選択装置１０との間を連結し、分岐配管１１−３は、図１では例えば３方弁７６とラジエター７３との間の冷却系配管と流路選択装置１０との間を連結している。
【００１９】
分岐配管１１−４は、イオン除去フィルタ７５と流路選択装置１０との間を連結し、イオン除去フィルタ７５から排出された冷却水を流路選択装置１０に導入する。
【００２０】
配管１２は、流路選択装置１０とリザーバタンク７４との間を連結し、流路選択装置１０により選択された分岐配管１１−１、１１−２、１１−３又は１１−４を介して流入された冷却水をリザーバタンク７４に導入する。
【００２１】
リザーバタンク７４内の圧力は、各分岐配管１１−１、１１−２、１１−３ならびに１１−４が冷却系配管に連結されて分岐した分岐点の圧力よりも低く設定されている。これにより、燃料電池システムの運転時には、この圧力差によりいずれか１つの分岐配管ならびに流路選択装置１０を介して冷却系配管を流れる冷却水の一部が分流してリザーバタンク７４に流れることになる。
【００２２】
図２は流路選択装置１０の一実施形態に係る構成例を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
【００２３】
図２において、流路選択装置１０は、流路選択装置１０の外周側四方に分岐配管１１−１、１１−２、１１−３ならびに１１−４が連結され、分岐配管１１−１、１１−２、１１−３ならびに１１−４とは直角に回転継手２０を介して配管１２が連結されている。流路選択装置１０は、分岐配管１１−１、１１−２、１１−３ならびに１１−４のいずれか１つの分岐配管と配管１２とを連通する連通流路２１が回転部２３内に形成され、回転部２３はシール部材２２により外部に対してシールされて構成されている。流路選択装置１０は、回転部２３を１／４回転させることで分岐配管１１−１、１１−２、１１−３ならびに１１−４のいずれか１つの分岐配管を選択し、選択した分岐配管１１−１、１１−２、１１−３又は１１−４と配管１２を連通流路２１を介して直角に連通している。
【００２４】
図３は流路選択装置１０の他の実施形態に係る構成例を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
【００２５】
図３において、この流路選択装置１０の特徴とするところは、回転部２３を回転駆動制御する制御手段として、例えば駆動モータ３０を回転部２３に接続し、この駆動モータ３０により回転部２３を駆動制御し、配管１２に連通される分岐配管１１−１、１１−２、１１−３又は１１−４の選択と、選択された分岐配管１１−１、１１−２、１１−３又は１１−４と配管１２との連通時間を制御するようにしたことにある。
【００２６】
次に、図４、図５又は図６のフローチャートを参照して、この燃料電池システムの運転時における、流路選択装置１０の動作を説明する。
【００２７】
図４は冷却系配管におけるエア抜きモードでの運転の動作手順を示すフローチャートである。図４において、冷却系配管内にエアが存在し、エア抜きを主として行う場合には、エア抜きモードにより燃料電池を運転をする。エア抜きモードでは、エア抜き用の分岐配管１１−１を例えばＡ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させ（ステップＳ４０）、次いで分岐配管１１−２を例えばＢ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させ（ステップＳ４１）、さらに分岐配管１１−３を例えばＣ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させ（ステップＳ４２）、分岐配管１１−４は連通させない（ステップＳ４３）。これにより、冷却系配管に溜まったエアが冷却水とともに分岐配管１１−１、１１−２、１１−３ならびに流路選択装置１０を介してリザーバタンク７４に流入して大気に放出され、冷却系配管に溜まったエアが抜かれる。
【００２８】
この後、冷却配管内のエアが抜かれてエア抜きモードが完了したか否かを判断し（ステップＳ４４）、エア抜きモードが完了した場合にはエア抜きモードを終了する。一方、エア抜きモードが完了していない場合には、再度上記ステップＳ４０〜ステップＳ４３の動作を実行する。なお、各分岐配管１１−１、１１−２、１１−３の連通時間（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、それぞれの分岐配管１１−１、１１−２、１１−３が連結された箇所のエアの溜まり易さに応じて適宜設定される。
【００２９】
図５は冷却系配管におけるラジエター非通過で冷却水に含まれるイオンを除去するモードでの運転の動作手順を示すフローチャートである。このラジエター非通過モード（イオン除去モード）は、外気温度が低く、冷却水の温度の低下を防ぎたいときに使用される運転モードであり、３方弁７６を切り替えてラジエター７３を通過させずに冷却水を循環させて運転する。図５において、まず分岐配管１１−１を例えばＤ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させ（ステップＳ５０）、次いで分岐配管１１−２を例えばＥ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させる一方（ステップＳ５１）、ラジエター７３に冷却水を流さないので分岐配管１１−３は連通させず（ステップＳ５２）、続いて分岐配管１１−４を例えばＦ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させる（ステップＳ５３）。これにより、冷却系配管に溜まったエアが冷却水とともに分岐配管１１−１、１１−２ならびに流路選択装置１０を介してリザーバタンク７４に流入して大気に放出され、冷却系配管に溜まったエアが抜かれる。また、冷却系配管を循環する冷却水の一部がイオン除去フィルタ７５に流れ込み、冷却水に含まれるイオンがイオン除去フィルタ７５で除去される。
【００３０】
この後、ラジエター非通過モードが完了したか否かを判断し（ステップＳ５４）、ラジエター非通過モードが完了していない場合には、再度ステップＳ５０〜ステップＳ５４の動作を実行する。なお、分岐配管１１−１、１１−２の連通時間（Ｄ、Ｅ）は、各分岐配管１１−１、１１−２が連結された箇所のエアの溜まり量に応じて適宜設定される。また、分岐配管１１−４の連通時間（Ｆ）は、冷却水に含まれるイオンの除去量に応じて適宜設定される。
【００３１】
図６は冷却系配管におけるラジエター通過で冷却水に含まれるイオンを除去するモードでの運転の動作手順を示すフローチャートである。このラジエター通過モード（イオン除去モード）は、燃料電池から排出された冷却水をラジエター７３で冷却する必要がある場合に使用される運転モードであり、３方弁７６を切り替えて冷却水をラジエター７３を通過させて循環させ運転する。図６において、まず分岐配管１１−１を例えばＧ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させ（ステップＳ６０）、次いで分岐配管１１−２を例えばＨ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させ（ステップＳ６１）、続いて分岐配管１１−３を例えばＩ時間配管１２と連通させ（ステップＳ６２）、さらに分岐配管１１−４を例えばＪ（ｓｅｃ）の時間配管１２と連通させる（ステップＳ６３）。これにより、冷却系配管に溜まったエアが冷却水とともに分岐配管１１−１、１１−２、１１−３ならびに流路選択装置１０を介してリザーバタンク７４に流入して大気に放出され、冷却系配管に溜まったエアが抜かれる。また、冷却系配管を循環する冷却水の一部がイオン除去フィルタ７５に流れ込み、冷却水に含まれるイオンがイオン除去フィルタ７５で除去される。
【００３２】
この後、ラジエター通過モードが完了したか否かを判断し（ステップＳ６４）、ラジエター通過モードが完了していない場合には、再度ステップＳ６０〜ステップＳ６４の動作を実行する。なお、分岐配管１１−１、１１−２、１１−３、１１−４の連通時間（Ｇ、Ｈ、Ｉ）は、各分岐配管１１−１、１１−２、１１−３が連結された箇所のエアの溜まり量に応じて適宜設定される。また、分岐配管１１−４の連通時間（Ｊ）は、冷却水に含まれるイオンの除去量に応じて適宜設定される。
【００３３】
上記実施形態においては、分岐配管１１−１〜１１−４を流路選択装置１０に連結し、流路選択装置１０により１本の分岐配管のみを配管１２と連結するようにしているので、冷却系における分岐配管を流れる冷却水の総流量を削減することができる。これにより、本来の目的である燃料電池を冷却する冷却水の流量が減少することが防止され、燃料電池を冷却する冷却水の流量を確保することができる。また、冷却系における分岐配管を流れる冷却水の総流量が削減されることにより、冷却水を循環させるポンプ７１の容量を小さくして小型化することが可能となる。さらに、分岐配管の単純化及び省スペース化を図かることができる。
【００３４】
また、流路選択装置１０に制御手段を設けて流路の選択を制御することで、必要な流路への切り替えを自動的に行うことができ、分岐配管を流れる冷却水の流量の無駄を減らすことができる。さらに、各分岐配管１１−１〜１１−４の連通時間を可変にすることにより、燃料電池の運転状況に応じて各分岐配管１１−１〜１１−４が必要とする時間分だけ冷却水を流すことができる。これにより、各分岐配管１１−１〜１１−４に流す冷却水の流量を最適化することが可能となり、各分岐配管１１−１〜１１−４を流れる冷却水の流量の無駄をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】流路選択装置の一構成を示す図である。
【図３】流路選択装置の他の構成例を示す図である。
【図４】燃料電池システムにおけるエア抜きモードでの運転の動作手順を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池システムにおけるラジエター非通過モードでの運転の動作手順を示すフローチャートである。
【図６】燃料電池システムにおけるラジエター通過モードでの運転の動作手順を示すフローチャートである。
【図７】従来の燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…流路選択装置
１１−１〜１１−４…分岐配管
１２…配管
２０…回転継手
２１…連通流路
２２…シール部材
２３…回転部
３０…駆動モータ
７０…燃料電池
７１…ポンプ
７２…熱交換器
７３…ラジエター
７４…リザーバタンク
７５…イオン除去フィルタ
７６…３方弁
７７…バイパス配管
【図１】
2004349204.tif 000003
【図２】
2004349204.tif 000004
【図３】
2004349204.tif 000005
【図４】
2004349204.tif 000006
【図５】
2004349204.tif 000007
【図６】
2004349204.tif 000008
【図７】
2004349204.tif 000009