(57)【要約】【課題】氷点下起動時に消費電力の少ない燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素と酸素により発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に供給する純水を蓄える純水タンク２と、を有する燃料電池システムにおいて、純水タンク１２の温度を検出する水温センサ１３と温度センサ１４と、燃料電池１に純水を供給するポンプ３と、ポンプ３を暖めるヒータ１２と、氷点下起動時に水温センサ１３と温度センサ１４によって検出する温度に基づいて、ヒータ１２の運転開始時期と終了時期とを決定するコントローラ１５を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給する純水を蓄える純水タンクと、を有する燃料電池システムにおいて、
前記純水タンクの温度を検出する温度検出手段と
前記燃料電池に前記純水タンクから純水を循環させる送水手段と、
前記送水手段を暖める暖機手段と、
氷点下起動時に記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記暖機手段の暖機開始時期と暖機終了時期とを決定する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度検出手段が前記純水タンク内の温度を検出する温度センサと、前記純水タンク内の水温を検出する水温センサであり、
前記制御手段は前記温度センサによって検出された温度に基づいて、前記暖機手段の暖機開始時期を決定し、前記水温センサによって検出された水温に基づいて、前記暖機手段の暖機終了を決定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。
【請求項３】
前記送水手段としてのポンプはフロントケーシングと、リアケーシングと、その間に挟み込ませるポンプケースと、を備え、
前記リアケーシングにめねじを設け、
前記暖機手段としてのヒータの外周の一部ににおねじを設け、
前記めねじに前記おねじを螺合することにより、前記フロントケーシングと前記リアケーシングとを結合す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。
【請求項４】
前記リアケーシングに前記ヒータとは異なる第２のヒータを取り付けることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は氷点下起動時に消費電力小さい燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池冷却装置においては、冷却水の温度を検出する水温センサとスタックの冷却水入り口と出口との差圧を検出する差圧計とにより、冷却水温度及び差圧に基づいて、送水ポンプの送水量とヒータの容量を制御するものが、特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３５２８３５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかし、上記の発明では、ポンプが純水タンク内にあるので、純水タンクが大きくなり、設計時の自由度が小さくなり、また凍結防止用のヒータはポンプ内で常に作動するために、消費電力が大きくなるといった問題がある。
【０００５】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、小型で消費電力の小さい燃料電池システムを得ることを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
本発明では、燃料電池と、燃料電池に供給する純水を蓄える純水タンクとを有する燃料電池システムにおいて、純水タンクの温度を検出する温度検出手段と、純水タンクの純水を循環させる送水手段と、送水手段を暖める暖機手段と、氷点下起動時に、温度検出手段によって検出した純水タンクの温度によって暖機手段の暖機開始時期と暖機終了時期を決定する制御手段と、を備える。
【０００７】
【作用及び効果】
本発明によると、燃料電池に純水タンクから純水を供給するポンプを純水タンクの外に配置することで、純水タンクを小型にすることができ、設計の自由度を上げることができる。また、氷点下起動時に凍結しているポンプに設けたヒータの運転開始時期と運転終了時期を純水タンクの温度によって決定するので、ヒータを常に作動させなくても良く、消費電力を抑えることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の構成を図１を用いて説明する。
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、水素と酸素との反応により発電し、外部へ電力を供給する燃料電池１と、燃料電池１での反応に必要な水を貯留する純水タンク２と、純水タンク２から燃料電池１に純水を循環するポンプ３と、氷点下時にポンプ３内の氷を解凍するためにポンプ３を加熱するヒータ１２と、純水タンク２内で熱交換を行う熱媒体を加熱する熱交換器４と、純水タンクの温度を検出する水温センサ１３と温度センサ１４と、純水タンク２の温度を基にヒータ１２を制御するコントローラ１５と、から構成する。
【００１０】
燃料電池１には、水素と酸素とによる反応を進めるために必要な純水を燃料電池１に供給する水透過型膜などからなる純水供給部６が設けられている。純水はポンプ３によって純水タンク２から流路７、８を通り、純水供給部６に送られ、純水供給部６によって純水の一部を燃料電池１に供給した後、残りの純水は流路９を通り、純水タンク２へ戻ってくる。
【００１１】
純水タンク２にはタンク内の純水を暖める純水加熱部１０が設けられ、純水が凍結した場合に、純水加熱部１０内を熱交換器４によって暖められた熱媒体が循環し、凍結している氷を解凍する。また、純水タンク２では水温センサ１３によって純水タンク２内の水温を、温度センサ１４によって純水タンク２の温度を測定している。ここで、純水タンク２内の純水が凍結した場合は、ヒータなどを使用して氷を解凍しても良い。
【００１２】
熱交換器４には熱交換流路１１を設け、熱交換流路１１は、図示しない燃料電池システム内の装置から発生し、回収された高温ガスなどと熱交換を行い、熱交換流路１１内の熱媒体を暖める。熱交換流路１１は流路５、１６を介して冷却水路１０とつながっており、熱媒体はポンプ１７によって流路内を循環する。
【００１３】
ポンプ３は純水タンク２の外部に設けられ、純水タンク２内の純水を燃料電池１に供給する。ポンプ３にはポンプ３が凍結した場合にその氷を解氷するヒータ１２が取り付けられている。ポンプ３、ヒータ１２について図２、３を用いて説明する。
【００１４】
図２はポンプ３正面図であり、ヒータ１２はポンプ３のフロントケーシング２０にポンプ軸方向に４箇所取り付けている。
【００１５】
図３は図２のＡ−Ａ断面図である。ヒータ１２は棒状のヒータであり、円筒状の頭部１２ａと、頭部１２ａと同軸上に頭部１２ａよりも径が小さい胴部１２ｂとからなっており、胴部１２ｂの外周部の一部にはおねじ１２ｃが切ってある。
【００１６】
ポンプ３ではポンプケース２１をリアケーシング２２とフロントケーシング２０とによって両側から挟んで組み立てる。リアケーシング２２には、ねめじ３ａが切ってあり、ポンプケース２１とフロントケーシング２０にはリアケーシング２２のめねじ３ａと同軸上にヒータ１２が通るための穴を設けている。ヒータ１２をフロントケーシング２０側から挿入し、めねじ３ａにヒータ１２のおねじ１２ｃを螺合させることによって、リアケーシング２２とポンプケース２１とフロントケーシング２０とを密着固定している。
【００１７】
これによって、ポンプ３は熱伝達率が良くなり、ポンプ３の凍結の原因となるフロントケーシング２０とリアケーシング２２とに溜まる純水の氷を素早く解凍することができる。また、ポンプケース２１が樹脂などの断熱材でできている場合でも、ヒータ１２は全体が発熱するので、フロントケーシング２０とリアケーシング２２とを暖めることができる。
【００１８】
また、図４に示すようにリアケーシング２２にはヒータ１２とは異なるヒータ１８をポンプ３のリアケーシング２２に少なくとも一つ設けることによって、より短い時間でポンプ３の凍結した純水を解凍できる。
【００１９】
コントローラ１５は水温センサー１３によって検出した純水タンク２内の水温と、温度センサー１４によって検出した純水タンク２の温度により、ヒータ１２の制御を行う。
【００２０】
次に図５に示すフローチャートを用いてコントローラ１５の制御について説明する。
【００２１】
ステップＳ１０１では温度センサー１４によって純水タンク２の温度を検出し、その温度Ｔ１と或る設定温度Ｔｗを比較し、Ｔ１≧Ｔｗであった場合は、ポンプ３が凍結しておらず、純水タンク２から純水を燃料電池１に供給でき、ポンプ３によって流路に水を流しても途中で純水が凍結しないと判断し、ステップＳ１０６へ進みポンプ３を始動させ、燃料電池１に純水を供給する。Ｔ１＜Ｔｗであった場合は、ポンプ３が凍結しており、また流路内で純水が凍結すると判断し、ステップＳ１０２へ進む。
【００２２】
ステップＳ１０２ではステップＳ１０１によって検出された純水タンク２の温度に基づいて、純水タンク２内の純水が設定温度Ｔｗになるまでの時間ｔｗとポンプ３内の氷が解凍する時間を算出し、ヒータ１２によるポンプ３の暖機を開始する時間ｔ２を設定する。そしてステップＳ１０３ではステップＳ１０２の時間ｔ２になるとヒータ１２のスイッチを入れ、ポンプ３の暖機を開始し、ステップＳ１０４へ進む。
【００２３】
ステップＳ１０４では、水温センサ１３で純水タンク２内の水温Ｔ２を検出し、設定温度Ｔｗと比較する。Ｔ２≧Ｔｗとなるとポンプ３内の氷が解凍し、純水タンク２から燃料電池１に純水を供給しても流路内で凍結しなくなると判断し、ステップＳ１０５へ進む。
【００２４】
ステップＳ１０５ではポンプ３内の氷は解凍しているので、ポンプ３のヒータ１２を停止する。その後ステップＳ１０６へ進み、ポンプ３を始動させ純水タンク２内の純水を燃料電池１へ供給を開始する。
【００２５】
次に本発明の燃料電池システムが氷点下起動する場合についてヒータ１２のタイムチャートを、図６を用いて説明する。
【００２６】
時間ｔ０において本発明の燃料電池システムを起動し、このときの純水タンク２の温度がＴ１である。この温度Ｔ１により純水タンク２の純水が解凍され燃料電池１に純水を供給できる設定温度Ｔｗになるまでの時間ｔｗが計算され、またヒータ１２によってポンプ３内の氷を解凍するまでの時間を計算し、ヒータ１２のスイッチを入れる時間ｔ２を決定する。
【００２７】
時間ｔ２において、ヒータ１２のスイッチが入り、ポンプ３の暖機を開始し、ポンプ３内の氷を解凍し始める。
【００２８】
時間ｔｗで純水タンク２の水温がＴｗとなるとヒータ１２のスイッチを切り、ポンプ３のスイッチを入れ、純水タンク２から燃料電池１へ純水の供給を開始する。
【００２９】
本発明の実施形態の効果について説明する。
【００３０】
純水タンク２から燃料電池１に純水を供給するためのポンプ３を燃料電池１と純水タンク２との間に設けることにより、純水タンク２を小型にすることができ、燃料電池システムを設計する際に自由な設計ができる。
【００３１】
氷点下起動時には純水タンク２の温度によってポンプ３の氷を解凍するために必要なヒータ１２の暖機時間を算出し、ヒータ１２の暖機開始時期を決定するので、少ない電力でポンプ３内の氷を解凍することができ、ヒータ１２による消費電力を抑えることができる。
【００３２】
また、ヒータ１２による暖機を終了する際は、純水タンク２の水温センサによって純水タンク２の水温を検出し、水温が所定の温度に達すると暖機を終了するので、流路内での純水の凍結を正確に防止することができる。
【００３３】
ポンプ３ではポンプケース２１をフロントケーシング２０とリアケーシング２２とによって挟み、リアケーシング２２に設けためねじにフロントケーシング２０側より、先端をおねじを切ったヒータ１２を挿入し、ねじ止めするので、ポンプケース２１とフロントケーシング２０とリアケーシング２２とは密着固定し、ヒータ１２の熱を効率良く伝達し、ポンプ３の氷を効率良く解凍することができる。
【００３４】
ヒータ１２とは異なるヒータ１８をリアケーシング２２に設けることにより、容積の大きいリアケーシング２２をより素早く暖めることができ、ポンプ３内の氷を素早く溶かすことができる。
【００３５】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成図である。
【図２】ポンプの正面図である。
【図３】図２のポンプのＡ−Ａ断面図である。
【図４】ヒータの取り付け図である。
【図５】コントローラのフローチャートである。
【図６】ヒータのタイムチャートである。
【符号の説明】
１      燃料電池
２      純水タンク
３      ポンプ
４      熱交換器
５      熱媒体流路
６      純水供給部
１０    純水加熱部
１１    熱交換流路
１２    ヒータ
１３    水温センサ
１４    温度センサ
１５    コントローラ
２０    フロントケーシング
２１    ポンプケース
２２    リアケーシング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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