(57)【要約】【課題】氷点下時でも水循環路を凍結しない燃料電池用水供給装置を提供する。【解決手段】燃料電池１と、水タンク９と、水タンク９と燃料電池１間に水を循環させる水循環路１０と、水循環路１０に水を供給する水供給ポンプ５を備える。また、燃料電池１の停止時にコンプレッサ４によって空気導入通路１１を介して水循環路１０に空気を導入し、このとき、水供給ポンプ５の水圧とコンプレッサ４の空気圧が水供給ポンプ５付近で釣り合うようにする。これによって、まず燃料電池１側の水循環路１０内の水を排出し、その後水供給ポンプ５を停止し、水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水を排出する。【選択図】        図１
2005158514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気中の酸素によって発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池を加湿するための水を蓄える水タンクと、
前記水タンクの水を前記燃料電池へ循環させる水循環路と、
前記水タンクから前記水循環路へ水を供給する水供給手段と、を備えた燃料電池用水供給装置において、
前記水循環路に接続される空気導入通路と、
前記空気導入通路に空気を圧送する空気圧送手段と、
前記空気導入通路と前記水循環路の接続部よりも前記水供給手段側の前記水循環路内の流れを選択的に停止させる水逆流防止手段と、
前記燃料電池停止時に、前記水逆流防止手段によって前記水循環路の一方の流れを停止し、前記空気圧送手段によって空気を導入して、前記接続部よりも前記燃料電池側の前記水循環路内の水を排出し、その後前記水逆流防止手段による前記流れの停止を解き、前記接続部よりも前記水供給手段側の水を排出する水排出制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池用水供給装置。
【請求項２】
前記接続部よりも前記水供給手段側の前記水循環路に前記水循環路を遮断する遮断手段を備え、
前記水供給手段内の水を排出した後に前記遮断手段によって前記水循環路を遮断することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項３】
前記水逆流防止手段は、前記空気供給手段によって導入された空気圧と前記水供給手段によって供給される水圧が釣り合うように前記水供給手段の水圧を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項４】
前記水逆流防止手段が、前記遮断手段であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項５】
前記空気圧送手段は、前記燃料電池に前記空気を供給する空気供給手段であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池用水供給装置。
【請求項６】
前記水供給手段が前記水タンク内に設けられ、前記水供給手段の取水口は略鉛直方向下向きに設けたポンプであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池用水供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池への水供給装置に関するものであり、特に停止時に水循環路の水排出に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池を稼働する際に燃料電池を加湿し、更に燃料電池を冷却するために冷却水を燃料電池に供給するものが、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平５−１９０１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明では、外気温が氷点下となった場合に、水を供給する流路内に残った水が、凍結、膨張し、水供給路を閉塞し、燃料電池の起動を妨げるといった問題点がある。
【０００４】
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、氷点下時にも素早く起動可能な燃料電池用水供給装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、燃料電池と、燃料電池を加湿するための水を蓄える水タンクと、水を燃料電池に循環させる水循環路と、水循環路に水を供給する水供給手段と、を備える。また、燃料電池の停止時に水循環路に空気を導入するための空気導入通路と、空気導入通路に空気を供給する空気圧送手段を備える。更に、空気導入通路と水循環路の接続部よりも水供給手段側の水循環路の流れを選択的に停止させる水逆流防止手段と、燃料電池停止時に水逆流防止手段によって水循環路の一方の流れを停止させ、燃料電池側の水循環路から水を排出した後に、水逆流防止手段による水循環路の流れ停止を解除し、水循環路に水を排出する水排出制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、燃料電池を停止する際に、例えば水循環路に空気圧送手段によって空気を導入し、水逆流防止手段によって水供給手段側の水循環路から水が排出されないようにすることで、まず燃料電池を通る水循環路内の水を水タンクに排出し、その後、水逆流防止手段による水循環路の流れ停止を解除し、水供給手段側からも水を排出することで、水循環路内の水を水タンクに排出することができ、氷点下になった場合でも水循環路の凍結を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１実施形態の構成を図１のブロック図を用いて説明する。
【０００８】
第１実施形態の燃料電池用水供給装置は、図示しない水素タンクから水素供給路２を介して供給された水素と空気供給手段であるコンプレッサ４から空気供給路３を介して供給された空気中の酸素によって発電を行う燃料電池１と、燃料電池１に水を供給する水供給系２０を備える。
【０００９】
水供給系２０は、水タンク９と、水タンク９と燃料電池１を接続し、水を循環させる水循環路１０と、水循環路１０へ水を供給する水供給手段である水供給ポンプ５と、水供給ポンプ５と燃料電池１の途中に介装され、水に含まれる不純物を取り除くフィルター６から構成される。また、水供給ポンプ５とフィルター６の間の水循環路１０に、空気圧送手段であるコンプレッサ４から空気を導入する空気導入通路１１が接続部１３で接続している。空気導入通路１１には、制御弁７が介装されている。空気導入通路１１と水供給ポンプ５の間の水循環路１０には、遮断手段である開閉弁８を備える。
【００１０】
水供給ポンプ５は、水タンク９の水面よりも低い位置に設けられ、取水口５ａが鉛直方向下向きになるように設けられる。取水口５ａを鉛直方向下向きになるようにすることで、水供給ポンプ５内の水を排出した後に、再び水供給ポンプ５に水が流入するのを防ぐことができる。
【００１１】
また、制御弁７や開閉弁８の開閉を制御し、水供給ポンプ５を制御するコントローラ３０を備える。
【００１２】
次にコントローラ３０で行う燃料電池停止時の制御動作について図２のフローチャートを用いて説明する。
【００１３】
燃料電池１の稼働停止を感知すると、ステップＳ２０において制御弁７を開き、コンプレッサ４から、空気導入通路１１を通り空気を水循環路１０に供給する。このとき、水循環路１０に供給される空気は、或る所定の空気圧力で供給される。この所定の空気圧力は予めコントローラ３０に記憶されており、水循環路１０などを劣化させない圧力であり、水循環路１０から完全に水を排出できる圧力である。
【００１４】
ステップＳ２１では、水供給ポンプ５の回転数を或る所定回転数に設定する。この所定回転数は、コンプレッサ４から供給される空気圧力と水供給ポンプ５の水供給圧力が空気導入通路１１と水循環路１０の接続部１３よりも上流の水供給ポンプ５側で釣り合うように設定される。これにより、接続部１３よりも上流の水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水は、空気圧と水供給圧が釣り合うために水供給ポンプ５を通り、水タンク９に逆流し、排出されることがない。そして、接続部１３から下流の燃料電池１側の水循環路１０内の水は、フィルター６と燃料電池１内を通り、水タンク９へ排出される。つまり、接続部１３よりも下流の燃料電池１側の水循環路１０内の水は確実に水タンク９へ排出されることになる（ステップＳ２０とステップＳ２１は水逆流防止手段を構成する）。
【００１５】
ステップＳ２２では、接続部１３よりも下流の燃料電池１側の水循環路１０内の水が、水タンク９へ排出されたかどうかを判断する。これは、タイマなどにより燃料電池１の稼働停止信号を受けてからの時間を計測し、所定時間が経過するとステップＳ２３へ進む。この所定時間は予め実験などにより、水循環路１０内の水を排出する時間を求め、コントローラ３０に記憶させておく。ここでは、水センサなどによって、水循環路１０内の水を検知してもよい。
【００１６】
ステップ２３では、水供給ポンプ５を停止する。これによって、接続部１３より水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水を水タンク９へ排出する。水循環路１０は、空気導入通路１１の接続部１３よりも下流の燃料電池１側では、上流の水供給ポンプ５側よりも流路が長く、また燃料電池１内では、流路が細く、分岐しているので、圧力損失が多くなる。このため、まず、ステップＳ２１、Ｓ２２で水循環路１０内の圧力損失の大きい燃料電池１側の水を排出し、その後水供給ポンプ５を停止することで、圧力損失の小さい水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水を排出することができる。
【００１７】
ステップＳ２４では、接続部１３よりも上流の水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水が、逆流し、水タンク９へ排出されたかどうかを判断する。ステップＳ２２と同様に、或る所定時間行う。ここでも水センサなどによって水循環路１０内の水を検知してもよい（ステップＳ２０からステップＳ２４が水排出制御手段を構成する）。
【００１８】
ステップＳ２５では、水循環路１０内の水が水タンク９へ排出されたので、制御弁７と開閉弁８を閉じ、コンプレッサ４を停止する。ここで、水供給ポンプ５の取水口５ａは鉛直方向下向きに設けられているので、一度水タンク９に排出された水が、水供給ポンプ５内に再び流入することをより防ぐことができる。
【００１９】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２０】
燃料電池１を停止する際に、コンプレッサ４によって水循環路１０内に空気を供給し、コンプレッサ４による空気圧と水供給ポンプ５による水圧を釣り合わせることで、まず、圧力損失の大きい燃料電池１側の水循環路１０内の水を水タンク９へ排出する。その後、水供給タンク５を停止することで、圧力損失の小さい水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水を排出することができる。これによって、水循環路１０の全流路内で水を水タンク９へ排出することができ、外気が氷点下になった場合でも、水循環路１０内が凍結を防ぐことができ、氷点下時にも素早く起動することができる。また、水の凍結、膨張による水循環路１０の劣化を防ぐことができる。
【００２１】
コンプレッサ４と水供給ポンプ５による空気圧と水圧を釣り合わせるので、水排出時に水循環路１０内の圧力が高くなること防ぐことができるので、圧力増大による水循環路１０の劣化を防ぐことができる。
【００２２】
また、水供給ポンプ５の取水口５を鉛直方向下向きにすることで、一度排出された水が再び水供給ポンプ５内に流れ込むのを防ぐことができる。
【００２３】
水を排出した後に、開閉弁８を閉じることで水循環路１０内に水が流れ込むのを確実に防ぐことができる。
【００２４】
次に本発明の第２実形態について図３のブロック図を用いて説明する。
【００２５】
第２実施形態については図１と異なる部分を説明する。この実施形態では水供給ポンプ５と水タンク９の間の水循環路１０の一部である取水通路１０ａを備える。そして、取水通路１０ａに開閉弁８を備える。この構成としても、燃料電池１停止時に水循環路１０内の水を水タンク９に排出することができる。
【００２６】
次にコントローラ３０で行う燃料電池停止時の制御動作について図４のフローチャートを用いて説明する。
【００２７】
燃料電池１の稼働停止を感知すると、ステップＳ４０において制御弁７を開き、コンプレッサ４から、空気導入通路１１を通り空気を水循環路１０に供給する。このとき、水循環路１０に供給される空気は、或る所定の空気圧力で供給される。この所定の空気圧力は予めコントローラ３０に記憶されており、水循環路１０などに劣化などの影響を与えない圧力であり、更に水循環路１０から完全に水を排出できる圧力である。
【００２８】
ステップＳ４１では、水供給ポンプ５を停止し、開閉弁８を閉じる。これにより、空気導入通路１１と水循環路１０の接続部１３よりも上流の水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水は、開閉弁８が閉じているので水供給ポンプ５を通り、水タンク９に逆流し、排出されることがない。そして、空気導入通路１１と水循環路１０の接続部１３より下流の燃料電池１側の水循環路１０内の水は、フィルター６と燃料電池１内を通り、水タンク９へ排出される。つまり、接続部１３よりも燃料電池１側の水循環路１０内の水は確実に水タンク９へ排出されることになる（ステップＳ４０とステップＳ４１は水排出制御手段を構成し、開閉弁８は水逆流防止手段である）。
【００２９】
ステップＳ４２では、接続部１３よりも下流の燃料電池１側の水循環路１０内の水が、水タンク９へ排出されたかどうかを判断する。これは、タイマなどにより燃料電池１の稼働停止信号を受けてからの時間を計測し、所定時間が経過するとステップＳ２３へ進む。この所定時間は予め実験などにより、水循環路１０内の水を排出する時間を求め、コントローラ３０に記憶させておく。ここでは、水センサなどによって、水循環路１０内の水を検知してもよい。
【００３０】
ステップＳ４３では開閉弁８を開く。これによって、接続部１３より上流の水供給ポンプ５側の水を水タンク９へ排出する。水循環路１０は、空気導入通路１１の接続部１３よりも下流の燃料電池１側では、上流の水供給ポンプ５側よりも流路が長く、また燃料電池１内では、流路が細く、分岐しているので、圧力損失が多くなる。このため、まずステップＳ４１、Ｓ４２で水循環路１０内の圧力損失が大きい燃料電池１側の水を排出し、その後、開閉弁８を開くことで、圧力損失の小さい水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水を排出することができる。
【００３１】
ステップＳ４４では、接続部１３よりも上流の水供給ポンプ５側の水循環路１０内の水が、水タンク９へ逆流し、排出されたかどうかを判断する。ステップＳ４２（ステップＳ２２）と同様に、或る所定時間行う。ここでも水センサなどによって水循環路１０内の水を検知してもよい。
【００３２】
ステップＳ４５では、水循環路１０内の水が水タンク９へ排出されたので、制御弁７と開閉弁８を閉じ、コンプレッサ４を停止する。これによって、一度水タンク９に排出した水が水供給ポンプ５に入るのを防ぐことができる。
【００３３】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００３４】
開閉弁８を水タンク９と水供給ポンプ５を接続する取水通路１０ａに設け、水循環路１０内の水を排出するときに、まず、開閉弁８を閉じ、空気導入通路１１より空気を供給することで、燃料電池１側の水を水タンク９へ排出することができる。その後、開閉弁８を開くことで、水供給ポンプ５側の水を水タンク９へ排出することができる。この時、水供給ポンプ５を停止させておくので、水供給ポンプ５に必要な電力を必要とせず、システム全体の燃費効率を向上し、かつ水循環路１０内の水を確実に排出することができる。
【００３５】
次に本発明の第３実形態について図５のブロック図を用いて説明する。
【００３６】
第３実施形態については図１と異なる部分を説明する。この実施形態では、水タンク９を暖機する例えば、ヒータなどの加熱装置１２を備える。その他の構成については第１実施形態と同じである。この構成とすることで、氷点下起動時に水タンク９内の水を素早く解凍することができる。
【００３７】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
寒冷地などで燃料電池を使用する際に利用することができ、特に、起動と停止を繰り返す燃料電池自動車など分野に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施形態のシステムを示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態のコントローラが行う停止制御を表すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態のシステムを示すブロック図である。
【図４】本発明の第２実施形態のコントローラが行う停止制御を表すフローチャートである。
【図５】本発明の第３実施形態のシステムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１      燃料電池
２      水素供給路
３      空気供給路
４      コンプレッサ（空気圧送手段、空気供給手段）
５      水供給ポンプ（水供給手段）
５ａ    取水口
６      フィルター
７      制御弁
８      開閉弁（遮断手段、水逆流防止手段）
９      水タンク
１０    水循環路
１０ａ  取水通路
１１    空気導入通路
１２    加熱装置
１３    接続部
【図１】
2005158514.tif 000003
【図２】
2005158514.tif 000004
【図３】
2005158514.tif 000005
【図４】
2005158514.tif 000006
【図５】
2005158514.tif 000007