(57)【要約】【課題】水タンク内の凍結水の解凍時間を短縮して、燃料電池システムの起動性能を向上させることを課題とする。【解決手段】ガスポンプ２６，吸引配管２７ならびに吐出配管２８で構成されるガス搬送手段を水タンク２２に設置し、水タンク２２内の凍結水の解凍時に、ガス搬送手段により水タンク２２内のガスを吸引して水タンク２２内部に吐出し、吐出したガスにより水タンク２２内の凍結水および解凍水を攪拌するように構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池スタックと、
燃料電池システムで使用される水を貯蔵する水タンクと、
前記水タンク内に設置され、前記水タンク内の凍結水を解凍する解凍手段と
を有する燃料電池システムにおいて、
前記水タンク内に溜まったガスを吸引し、吸引したガスを前記水タンク内に吐出し、吐出したガスにより、前記解凍手段により前記水タンク内の凍結水が解凍されて得られた解凍水を攪拌するガス搬送手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス搬送手段は、
前記水タンクに連結されて、前記水タンク内の上部に溜まったガスの吸引路となる吸引配管と、
前記吸引配管に連結されて、前記吸引配管を介して前記水タンク内の上部に溜まったガスを吸引するガスポンプと、
前記ガスポンプにより吸引されたガスを、前記水タンク内に吐出する吐出配管とを備えた
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】
前記水タンクに、前記水タンクと外部とを選択的に通気開閉する通気開閉手段を設け、
前記ガス搬送手段が前記水タンク内のガスを吸引して前記水タンク内に吐出する際に、前記通気開閉手段により前記水タンクと外部とを閉じ、前記水タンク内でガスを循環させる
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水タンクと前記燃料電池スタックとの間で、前記水タンクに貯蔵された水を循環させて前記燃料電池スタックに水を供給する水配管と、外部とを選択的に連通する連通手段を有し、
前記ガス搬送手段は、前記水タンク内のガスを吸引し、吸引したガスを前記水タンクの外部に吐出する機能を備え、
前記燃料電池システムの停止時に、前記連通手段を介して前記水配管を外部と連通させ、前記ガス搬送手段が吸引したガスを前記水タンクの外部に吐出し、前記水タンク内の圧力を負圧とし、前記水配管内の水を前記水タンクに回収する
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。
【請求項５】
前記水タンク内に溜まったガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段を有し、
前記ガス搬送手段は、前記水タンク内のガスを吸引し、吸引したガスを前記水タンクの外部に吐出する機能を備え、前記水素濃度検出手段により検出された前記水タンク内の水素濃度が所定値を超えた場合には、前記水タンク内のガスを吸引して外部に吐出する
ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス搬送手段は、前記水タンク内にガスを吐出するガス吐出口を、前記水タンク内の凍結水の上面よりも高い位置に設置した
ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ガス搬送手段は、前記水タンク内にガスを吐出する吐出配管の末端を、前記水タンク内の凍結水の上面よりも低い位置に設置し、かつ前記吐出配管における凍結水の上面よりも高い部位から配管末端の側面に、ガスが吐出する複数の開口部を有する
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５及び６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、燃料電池スタックに供給される水を貯蔵する水タンク内の凍結水を解凍する技術を改善した燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された燃料電池発電システムの発明において、システムの起動時には、ヒータにより加熱された冷却水が、燃料電池スタック内部を加湿するための水を貯蔵する水タンクに隣接するように設けられた管路を介して、水タンクの周囲を流通する。これにより、水タンクは、管路を流通する加熱された冷却水からの熱を受けて加熱される。この加熱により、水タンク内の凝固した水を完全に融解させる。また、補助タンクの近傍に配置されたヒータが加熱される。この加熱により、補助タンク内の凝固した水を完全に融解させる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、燃料電池発電システムにおける、水タンク内の凍結水を解凍する従来の技術においては、ヒータの熱が伝達される水タンクの壁面周辺では、氷がすばやく解凍される。しかし、壁面と凍結水が直に接していない部分では、迅速に凍結水を解凍することができなかった。これは、壁面と解けた液水との熱交換を経て、液水と氷が熱交換をして氷を解かしていたためである。したがって、水タンク内の凍結水をすべて、ないしは必要量解凍するために要する時間が長引くという問題があった。
【０００５】
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、水タンク内の凍結水の解凍時間を短縮して、起動性能を向上させた燃料電池システムを提供することにある。
【０００６】
【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、燃料ガスと酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池システムで使用される水を貯蔵する水タンクと、前記水タンク内に設置され、前記水タンク内の凍結水を解凍する解凍手段とを有する燃料電池システムにおいて、前記水タンク内に溜まったガスを吸引し、吸引したガスを前記水タンク内に吐出し、吐出したガスにより、前記解凍手段により前記水タンク内の凍結水が解凍されて得られた解凍水を攪拌するガス搬送手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明によれば、水タンク内のガスを吸引して水タンク内部に吐出するガス搬送手段を設置し、解凍時にガス搬送手段で水タンク内から吸引したガスを水タンク内に吐出し、水タンク内でガスを循環させるようにしたので、吐出されるガスにより水タンク内の凍結水および解凍水の攪拌を行うことができる。これにより、水タンク内の解凍手段と解凍水との熱伝達性能を向上させ、凍結水の解凍時間を短縮でき、燃料電池システムの起動性能を向上させることができる。
【０００８】
【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。
【０００９】
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は、燃料ガスの水素を供給する水素供給装置１、酸化剤ガスの空気を供給する空気供給装置２、燃料電池スタック３、燃焼器７、冷媒用熱交換器８ならびに水タンク２２を備えて構成されている。
【００１０】
燃料電池スタック３は、水素供給装置１から水素がアノード極４に供給され、空気供給装置２から空気がカソード極５に供給され、それらを反応させて発電する。その際、アノード極４からは消費されずに残ったアノードオフガスが排出される。また、カソード極５からは一部の酸素が消費され、かつ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスが排出される。
【００１１】
燃焼器７は、供給されるアノードオフガスと、カソードオフガスとを混合して均一な混合ガスを形成するミキサ２３と、酸化触媒を担持した電気ヒータで構成されて燃焼器７を暖機するヒータ２５と、酸化触媒を担持して混合ガスを燃焼させる燃焼触媒２４とを備えて構成されている。燃焼器７で生成される燃焼ガスは、冷媒用熱交換器８を介して排気配管１９から排気される。
【００１２】
冷媒用熱交換器８は、燃焼ガスと冷媒の熱交換を行い、冷媒を昇温させる。昇温された冷媒は、冷媒ポンプ２１によって、燃料電池スタック３、水タンク２２を含む燃料電池システム内を流通し、システムの暖機が行われる。
【００１３】
水タンク２２は、水配管１５を介して、燃料電池スタック３のカソード電極５に設けられた水通路１７との間で循環される水を貯蔵する。水タンク２２には、水タンク用熱交換器３７が設けられいる。
【００１４】
この水タンク用熱交換器３７は、水タンク２２内の凍結水を解凍するための解凍手段として機能する。熱交換器３７は、冷媒用熱交換器８により昇温された冷媒と、水タンク２２の凍結水との間で熱交換させて、凍結水を解凍する。
【００１５】
また、水タンク２２には、ガス搬送手段が設けられている。このガス搬送手段は、ガスポンプ２６と、水タンク２２内上部に溜まっているガスを吸入する吸引配管２７と、ガスを水タンク２２内、特に凍結水および解凍水に向けて吐出する吐出配管２８とから構成されている。ガス吐出配管２８の末端は、水タンク２２内の凍結水上面よりも高い位置とし、先端にガス吐出口が開口されている。
【００１６】
水タンク用熱交換器３７に接する、水タンク２２内の凍結水が解凍されても、熱伝導だけでは水タンク用熱交換器３７から離れて位置する凍結水には熱が比較的伝わり難い。このため、水タンク用熱交換器３７による作用だけでは、水タンク２２内の凍結水をすべて、ないしは必要量解凍するために要する時間が長引くことになる。
【００１７】
そこで、この実施形態のシステムでは、氷点下の起動時に、上記ガス搬送手段のガスポンプ２２で水タンク２２内のガスを吸引配管２７を介して吸引し、吸引したガスを吐出配管２８を介して水タンク２２内に吐出する。これにより、水タンク２２内でガスを循環させ、解凍水をガスにより攪拌する。この結果、水タンク用熱交換器３７と解凍水との熱伝達が高められる。
【００１８】
なお、図１において、太線の部分は、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通して部分を示している。
【００１９】
次に、上記システムの起動時ならびに通常動作時の動作を、図２のフローチャートを参照して説明する。
【００２０】
まず、図３に示すようにシステムが氷点下にあり、水タンク２２内に凍結水が存在する場合の、システム起動時には、まず水タンク２２に設置された温度検出手段３９で水タンク２２内の水の温度を検出する（図２ステップＳ２０１）。なお、図３において、太線の部分は、燃料ガス又は酸化剤ガスが流通して部分を示している。水が凍結していると判断された場合（例えば０℃以下であることを検出した場合）には（図２ステップＳ２０２）、解凍処理を実行するフラグＦをＦ＝１とし（図２ステップＳ２０３）、燃焼器７のヒータ２５に通電する（図２ステップＳ２０４）。
【００２１】
これにより、ヒータ２５に担持する酸化触媒を活性温度まで昇温させ、この後水素供給装置１および空気供給装置２からそれぞれ水素、空気を燃料電池スタック３に供給する（図２ステップＳ２０５）。これと同時に、アノードオフガス循環装置６のパージ弁４０を開け（図２ステップＳ２０６）、また水タンク２２に設けられた通気配管開閉弁３１を閉じ（図２ステップＳ２０７）、アノードオフガスおよびカソードオフガスが燃焼器７に供給される。昇温されたアノードオフガスおよびカソードオフガスはヒータ２５により着火、燃焼を開始し、高温の燃焼ガスが生成される。
【００２２】
燃焼ガスは、冷媒用熱交換器８において冷媒と熱交換され、冷媒が昇温される。冷媒が昇温されると、冷媒ポンプ２１を作動し（ステップＳ２０８）、昇温した冷媒が、冷媒ポンプ２１でシステム内を流通し、システムの暖機が行われる。その際、水タンク用熱交換器３７により冷媒と凍結水との間で熱交換が行われ、水タンク２２内の凍結水の解凍も同時に行われる。
【００２３】
また同時に、ガスポンプ２２を作動させ（図２ステップＳ２０９）、水タンク２２内のガスを吸引配管２７を介して吸引し、吸引したガスを吐出配管２８を介して水タンク２２内に吐出する。これにより、吐出したガスで解凍水を攪拌する。この結果、水タンク用熱交換器３７と解凍水との熱伝達効率が高められる。
【００２４】
次に、通常作動時、水タンク２２内の水が凍結しておらず、フラグＦ＝１でない場合（図２ステップＳ２１０）、すなわち解凍処理が行われていない場合には、水素供給装置１から水素がアノード極４に供給され、空気供給装置２から空気がカソード極５に供給される（図２ステップＳ２１１）。さらに、ポンプ２１が作動された後（図２ステップＳ２１２）、燃料電池スタック３で発電が行われ、通常運転が行われる（図２ステップＳ２１８）。
【００２５】
発電が開始されると、アノードオフガスはアノードオフガス循環装置６により水素供給配管１１に全量循環されて供給水素と混合される。これにより、アノードガスを形成して再度アノード極４へと供給される。また、カソードオフガスは燃料電池スタック３に供給される水素および空気を加湿する加湿装置１０を経由して燃焼器７へ供給され、その後排気配管１９から外部に排気される。
【００２６】
一方、通常作動時、水タンク２２内の水が凍結しておらず、フラグＦ＝１である場合（図２ステップＳ２１０）、すなわち解凍処理が行われて水タンク２２内の氷が解凍された場合には、フラグＦ＝０とし（図２ステップＳ２１３）、ガス搬送手段のガスポンプ２６を停止させ（図２ステップＳ２１４）、ヒータ２５も停止させる（図２ステップＳ２１５）。その後、パージ弁４０を閉じ（図２ステップＳ２１６）、さらに通気配管開閉弁３１を開き（図２ステップＳ２１７）、上述したように、通常運転が開始される（図２ステップＳ２１８）。
【００２７】
以上説明したように、上記第１の実施形態においては、氷点下の起動時には、ガス搬送手段により水タン２２内のガスを吸引し、水タンク２２内にガスを吐出し、水タンク２２内でガスを循環させることで、解凍水をガスにより攪拌することができる。これにより、解凍手段と解凍水との熱伝達性能が向上し、水タンク２２内の凍結水の解凍時間を短縮することが可能となる。この結果、システムの起動性能を向上させることができる。
【００２８】
また、水タンク２２内に溜まっていたガスのみを循環させるようにしているので、ガス中に含まれる二酸化炭素などが水に溶け込んでイオン化し、水の電気伝導度を低下させる場合でも、水に溶け込む量を制限することができる。このため、水を燃料電池スタック３に供給した際に、燃料電池スタック３の発電性能の低下が生じる可能性を極力抑制することができる。
【００２９】
さらに、ガス吐出配管２８の末端を、凍結水上面よりも高い位置として、先端にガス吐出口を開口することにより、水タンク２２内の水が凍結する場合でも、ガス吐出口が凍結水で封鎖されることが回避される。これにより、必要なときにガスを吐出することが可能となり、解凍時間を短縮することができる。
【００３０】
図４は本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムにおける、水タンク２２の構成を示す図である。図４において、この第２の実施形態の特徴とするところは、水タンク２２に設けられた、ガス搬送手段のガス吐出配管２８の末端を、凍結水上面よりも高い位置として、ガス吐出配管２８のガス吐出口を配管側面に複数開口するようにしたことにある。このような特徴を採用することにより、先の第１の実施形態で得られる効果に加えて、水タンク２２内の広範囲において、解凍水を攪拌することが可能となる。これにより、解凍水の解凍時間をさらに短縮化することができる。
【００３１】
図５は本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムにおける、水タンク２２の構成を示す図である。図５において、この第３の実施形態の特徴とするところは、水タンク２２に設けられた、ガス搬送手段のガス吐出配管２８の末端を、凍結水上面よりも低い位置として、ガス吐出配管２８の凍結水上面の上部、ならびにガス吐出配管２８の凍結水の下部にわたり、ガス吐出配管２８のガス吐出口を配管側面に複数開口するようにしたことにある。このような特徴を採用することにより、先の第１の実施形態で得られる効果に加えて、水タンク２２内の広範囲において、解凍水を攪拌することが可能となる。これにより、解凍水の解凍時間をさらに短縮化することができる。
【００３２】
図６は本発明の第４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６において、この第４の実施形態の特徴とするとこは、先の第１の実施形態に比べて、ガス搬送手段の吐出配管２８に吐出配管切替弁２９を介して外気に通じる吐出口４１を設けてガス搬送手段を構成し、さらに水配管１５に水配管開閉弁３４およびフィルタ４２を介して外気と連通する水配管連通口３５を設置したことを特徴とする。
【００３３】
次に、上記構成の動作を、図７に示すフローチャートを参照して説明する。
【００３４】
システム停止時に（図７ステップＳ７０１）、水素ならびに空気の燃料電池スタック３への供給を停止し（ステップＳ７０２）、冷媒ポンプ２１を停止する（図７ステップＳ７０３）。その後、通気配管開閉弁３１を閉止し（図７ステップＳ７０４）、吐出配管切替弁２９を吐出口４１側に開け（図７ステップＳ７０５）、かつ水配管開閉弁３４を開け（図７ステップＳ７０６）、ガスポンプ２６を作動させる（図７ステップＳ７０７）。
【００３５】
これにより、水タンク２２内のガスを吸引して外部に吐出し、水タンク２２内部が負圧となるようにして所定時間運転する。所定時間が経過すると（図７ステップＳ７０８）、水配管１５中の水が略全量水タンク２２に回収される。その後、ガスポンプ２６を停止し（図７ステップＳ７０９）、水配管ポンプ１８を停止し（図７ステップＳ７１０）、水配管遮断弁３２を閉止する（図７ステップＳ７１１）。この時、水配管連通口３５から水配管１５に導入される外気は、一時的に水配管１５を逆流して水タンク２２内の水を通過する。しかし、水の通過は比較的短時間であるため、外気中に含まれる二酸化炭素などの溶け込みによる水の電気伝導度の悪化は極力抑制される。
【００３６】
水配管１５中の水の回収後、システムの運転に備えて、水配管開閉弁３４を閉じ（図７ステップＳ７１２）、通気配管開閉弁３１を開け（図７ステップＳ７１３）、吐出配管切替弁２９を吐出配管２８側に開ける（図７ステップＳ７１４）。
【００３７】
以上説明したように、上記第４の実施形態においては、短時間で確実に水配管１５中の水を水タンク２２に回収することができる。また、システム停止時に外気温度が氷点下となった際にも、水が凍結して生じるシステムの性能低下を抑制することができる。さらに、ポンプ２６を水タンク２２内の水の攪拌用と、水配管１５の水の回収用とで、共用するこことが可能となり、コスト面で有利である。
【００３８】
図８は本発明の第５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８において、この第５の実施形態の特徴とするとこは、先の第４の実施形態に比べて、水タンク２２に水タンク２２内のガスの水素濃度を検出する水素濃度検出手段３８を設けたことを特徴とする。
【００３９】
次に、上記構成の動作を、図９に示すフローチャートを参照して説明する。
【００４０】
通常運転中に、水素濃度検出手段３８で水タンク２２内の水素濃度を検出し（図９ステップＳ９０１）、通常運転中に水タンク２２内の水素濃度が所定値を超えている場合には（図９ステップＳ９０２）、フラグＦＨ＝１とし（図９ステップＳ９０３）、吐出配管切替弁２９を吐出口４１側に開ける（図９ステップＳ９０４）。さらに、通気配管開閉弁３１を開けた状態を保ちつつガスポンプ２６を作動させる（図９ステップＳ９０５）。これにより、通気配管３０から水タンク２２内に外気を導入して、水タンク２２内を換気する。この時、外気は水タンク２２内を通過するだけであり、水タンク２２内の水と混合されることはない。このため、外気中に含まれる二酸化炭素などの溶け込みによる水の電気伝導度の悪化は抑制される。
【００４１】
水素濃度が所定値以上ではなく、かつフラグＦＨ＝１でない場合には（図９ステップＳ９０６）、通常運転が継続される（図９ステップＳ９０９）。
【００４２】
一方、水素濃度が所定値以上ではなく、かつフラグＦＨ＝１である場合（図９ステップＳ９０６）、すなわち、水素の換気が行われて水素濃度が所定値を下回った場合には、フラグＦＨ＝０とし（図９ステップＳ９０７）、ガスポンプ２６を停止した後（図９ステップＳ９０８）、通常運転が行われる（図９ステップＳ９０９）。
【００４３】
以上説明したように、上記第５の実施形態においては、アノード極４から燃料電池スタック３内の水通路１７内にリークした水素が、水タンク２２内に溜まり、可燃範囲の混合気体を形成することを抑制することができる。これにより、システムの安全信頼性を向上させることができる。
【００４４】
なお、上記第４ならびに第５の実施形態は、前述した第２又は第３の実施形態と組み合わせて実施するようにしてもよい。
【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】図２のシステムの動作を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す構成における氷点下起動時の構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムにおける水タンクの構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムにおける水タンクの構成を示す図である。
【図６】本発明の第４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７】図６のシステムの動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第５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９】図８のシステムの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…水素供給装置
２…空気供給装置
３…燃料電池スタック
４…アノード極
５…カソード極
６…アノードオフガス循環装置
７…燃焼器
８…冷媒用熱交換器
１０…加湿装置
１１…水素供給配管
１５…水配管
１７…水通路
１８…水配管ポンプ
１９…排気配管
２１…ポンプ
２１…冷媒ポンプ
２２…ガスポンプ
２２…水タンク
２３…ミキサ
２４…燃焼触媒
２５…ヒータ
２６…ガスポンプ
２７…吸引配管
２８…ガス吐出配管
２９…吐出配管切替弁
３０…通気配管
３１…通気配管開閉弁
３２…水配管遮断弁
３４…水配管開閉弁
３５…水配管連通口
３７…水タンク用熱交換器
３７…熱交換器
３８…水素濃度検出手段
３９…温度検出手段
４０…パージ弁
４１…吐出口
４２…フィルタ
【図１】
2004192940.tif 000003
【図２】
2004192940.tif 000004
【図３】
2004192940.tif 000005
【図４】
2004192940.tif 000006
【図５】
2004192940.tif 000007
【図６】
2004192940.tif 000008
【図７】
2004192940.tif 000009
【図８】
2004192940.tif 000010
【図９】
2004192940.tif 000011