JP5138889B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)が一般的である。 Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses, trucks, passenger carts, and luggage carts. The fuel cell may be of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. Although good, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is common.
この場合、固体高分子電解質膜を2枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極(アノード極)とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン(プロトン)と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極(カソード極)とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。 In this case, the solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between two gas diffusion electrodes and integrated to join. When one of the gas diffusion electrodes is used as a fuel electrode (anode electrode) and hydrogen gas as fuel is supplied to the surface thereof, hydrogen is decomposed into hydrogen ions (protons) and electrons, and the hydrogen ions are converted into a solid polymer electrolyte. Permeates the membrane. Further, when the other of the gas diffusion electrodes is an oxygen electrode (cathode electrode) and air as an oxidant is supplied to the surface, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to generate water. The An electromotive force is generated by such an electrochemical reaction.
そして、燃料電池システムにおいては、寒冷時等に暖機を行うために、加熱手段で燃料電池を加熱することができる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、寒冷時等に燃料電池自体を加熱するので、燃料電池の運転を良好にすることはできても、燃料ガス貯蔵手段については何ら対策が施されていないので、燃料電池に十分な燃料ガスを供給することができなくなってしまう。特に、燃料ガス貯蔵手段が水素吸着体や水素吸蔵体を使用したものである場合、該水素吸着体や水素吸蔵体が水素を放出する能力が低温で低下してしまうので、寒冷時等には、燃料電池に十分な燃料ガスを供給することができなくなってしまう。 However, in the conventional fuel cell system, since the fuel cell itself is heated in a cold time or the like, no measures are taken for the fuel gas storage means even though the operation of the fuel cell can be improved. As a result, sufficient fuel gas cannot be supplied to the fuel cell. In particular, when the fuel gas storage means uses a hydrogen adsorbent or a hydrogen occlusion body, the ability of the hydrogen adsorber or hydrogen occlusion body to release hydrogen will be reduced at low temperatures, so that it may be used during cold weather. As a result, sufficient fuel gas cannot be supplied to the fuel cell.
本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、水素吸着体又は水素吸蔵体を収容する水素ガス貯蔵体を廃熱を利用して加熱することによって、燃料電池スタックの発電量に対応する量の水素ガスを安定的に燃料電池スタックに供給することができるとともに、補機類の消費する電力量を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the problems of the conventional fuel cell system and heats a hydrogen gas storage body containing a hydrogen adsorber or a hydrogen occlusion body using waste heat, thereby generating a power generation amount of the fuel cell stack. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of stably supplying an amount of hydrogen gas corresponding to the above to the fuel cell stack and reducing the amount of power consumed by the auxiliary machinery.
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、水素吸着体又は水素吸蔵体を収容し、前記燃料流路に供給される水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵体と、前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池冷却システムと、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、前記燃料電池冷却システム及び冷凍サイクル式冷却システムは、それぞれ、冷媒が流通する管路を備え、前記燃料電池冷却システムの管路及び冷凍サイクル式冷却システムの管路は、それぞれ、前記水素ガス貯蔵体内を通過する管路及び通過しない管路を備え、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記水素ガス貯蔵体に収容された水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱する。 Therefore, in the fuel cell system of the present invention, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is laminated with a separator having a fuel flow path formed along the fuel electrode. A battery stack, a hydrogen adsorber or a hydrogen storage body, a hydrogen gas storage body that stores hydrogen gas supplied to the fuel flow path, a fuel cell cooling system that cools the fuel cell stack, and a vehicle air conditioner A refrigeration cycle cooling system for a machine or a vehicle freezer , each of the fuel cell cooling system and the refrigeration cycle cooling system including a conduit through which a refrigerant flows, and the conduit of the fuel cell cooling system and line of the refrigeration cycle cooling system, respectively, comprising a conduit and passes through non conduit passing through the hydrogen gas storage body, the refrigeration cycle type cooling system The waste heat to heat the hydrogen adsorbent or hydrogen storage material accommodated in the hydrogen gas reservoir.
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池冷却システムは、冷媒を循環させる循環ポンプ、冷媒を冷却する放熱器、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記燃料電池スタックを冷却した冷媒が選択的に流入可能な第1加熱管路を備える。 In another fuel cell system of the present invention, the fuel cell cooling system is further disposed so as to pass through a circulation pump for circulating the refrigerant, a radiator for cooling the refrigerant, and the hydrogen gas storage body, A first heating line through which the coolant that has cooled the fuel cell stack can selectively flow is provided.
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷凍サイクル式冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に流入可能な第2加熱管路を備える。 In still another fuel cell system of the present invention, the refrigeration cycle cooling system further includes a compressor that compresses a gas-phase refrigerant, a condenser that liquefies the refrigerant compressed by the compressor, and a liquefied refrigerant. An evaporator that is vaporized and a second heating pipe that is disposed so as to pass through the hydrogen gas storage body and into which the refrigerant compressed by the compressor can selectively flow.
本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、水素吸着体又は水素吸蔵体を収容し、前記燃料流路に供給される水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵体と、前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池冷却システムと、車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、前記燃料電池冷却システム及び冷凍サイクル式冷却システムは、それぞれ、冷媒が流通する管路を備え、前記燃料電池冷却システムの管路及び冷凍サイクル式冷却システムの管路は、それぞれ、前記水素ガス貯蔵体内を通過する管路及び通過しない管路を備え、前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記水素ガス貯蔵体に収容された水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱する。
According to the present invention, in a fuel cell system, a fuel cell in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode is stacked with a separator having a fuel flow path formed along the fuel electrode. A battery stack, a hydrogen adsorber or a hydrogen storage body, a hydrogen gas storage body that stores hydrogen gas supplied to the fuel flow path, a fuel cell cooling system that cools the fuel cell stack, and a vehicle air conditioner A refrigeration cycle cooling system for a machine or a vehicle freezer , each of the fuel cell cooling system and the refrigeration cycle cooling system including a conduit through which a refrigerant flows, and the conduit of the fuel cell cooling system and of the refrigeration cycle cooling system conduit, respectively, provided with a conduit and does not pass through the conduit passes through the hydrogen gas storage body, the refrigeration cycle cooling system Heat by heating the hydrogen adsorbent is housed in the hydrogen gas reservoir or hydrogen absorbing material.
この場合、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために電気ヒータ等の加熱手段を必要としないので、加熱手段を配設するためのコスト及び加熱手段に供給するエネルギーを削減することができる。そのため、燃料電池システムのコストを低減することができ、消費電力量も低減することができる。 In this case, heating means such as an electric heater is not required to heat the hydrogen adsorbent or the hydrogen storage body, so that the cost for disposing the heating means and the energy supplied to the heating means can be reduced. Therefore, the cost of the fuel cell system can be reduced, and the power consumption can be reduced.
他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記燃料電池冷却システムは、冷媒を循環させる循環ポンプ、冷媒を冷却する放熱器、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記燃料電池スタックを冷却した冷媒が選択的に流入可能な第1加熱管路を備える。 In another fuel cell system, the fuel cell cooling system is further disposed so as to pass through a circulation pump for circulating the refrigerant, a radiator for cooling the refrigerant, and the hydrogen gas storage body. A first heating line through which the refrigerant that has cooled the stack can selectively flow is provided.
この場合、冷媒が第1加熱管路を流通することによって冷却されるので、放熱器の冷却能力を大きくする必要がない。そのため、放熱器を小型軽量化することができ、コストを低減することができるとともに、燃料電池システム全体を小型軽量化することができる。さらに、放熱器の冷却ファンを作動させる必要性も低減されるので、該冷却ファンを駆動するモータの消費電力量を低減することができる。 In this case, since the refrigerant is cooled by flowing through the first heating pipe, it is not necessary to increase the cooling capacity of the radiator. Therefore, the radiator can be reduced in size and weight, the cost can be reduced, and the entire fuel cell system can be reduced in size and weight. Furthermore, since the necessity to operate the cooling fan of the radiator is also reduced, the power consumption of the motor that drives the cooling fan can be reduced.
さらに、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために必要とされる熱量が増加しても、燃料電池スタックを冷却することによって生じた廃熱が増加するので、新たな熱源を必要とすることがなく、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために必要とされる熱量の変動が広範囲に亘(わた)っても、燃料電池冷却システムの廃熱で対応することができる。 Furthermore, even if the amount of heat required to heat the hydrogen adsorbent or hydrogen storage body increases, the waste heat generated by cooling the fuel cell stack increases, so a new heat source is required. Even if the fluctuation of the amount of heat required for heating the hydrogen adsorbent or the hydrogen occlusion material is wide (passed), the waste heat of the fuel cell cooling system can be used.
更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷凍サイクル式冷却システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、液化された冷媒を気化するエバポレータ、及び、前記水素ガス貯蔵体内を通過するように配設され、前記圧縮機によって圧縮された冷媒が選択的に流入可能な第2加熱管路を備える。 In still another fuel cell system, the refrigeration cycle type cooling system further includes a compressor for compressing a gas-phase refrigerant, a condenser for liquefying the refrigerant compressed by the compressor, and an evaporator for vaporizing the liquefied refrigerant. And a second heating pipe that is arranged to pass through the hydrogen gas storage body and into which the refrigerant compressed by the compressor can selectively flow.
この場合、冷媒が第2加熱管路を流通することによって冷却されるので、コンデンサの冷却能力を大きくする必要がない。そのため、コンデンサを小型軽量化することができ、コストを低減することができるとともに、冷凍サイクル式冷却システム全体を小型軽量化することができる。さらに、コンデンサの冷却ファンを作動させる必要性も低減されるので、冷却ファンを駆動するモータの消費電力量を低減することができる。 In this case, since the refrigerant is cooled by flowing through the second heating pipeline, there is no need to increase the cooling capacity of the condenser. Therefore, the capacitor can be reduced in size and weight, the cost can be reduced, and the entire refrigeration cycle cooling system can be reduced in size and weight. Furthermore, since the necessity for operating the condenser cooling fan is also reduced, the power consumption of the motor driving the cooling fan can be reduced.
さらに、冷凍サイクル式冷却システムの負荷が増加して要求電力量が増加すると、水素ガス貯蔵体内を加熱するための熱量が増加し、その結果、水素ガス貯蔵体から放出されて燃料電池スタックに供給される水素の量が増加して燃料電池スタックの出力が自動的に増加し、必要な電力量が自動的に冷凍サイクル式冷却システムに供給される。 Furthermore, when the load of the refrigeration cycle type cooling system increases and the required power increases, the amount of heat for heating the hydrogen gas storage body increases, and as a result, it is released from the hydrogen gas storage body and supplied to the fuel cell stack. As the amount of hydrogen generated increases, the output of the fuel cell stack automatically increases, and the required amount of power is automatically supplied to the refrigeration cycle cooling system.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
図において、11は燃料電池(FC)としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック11と図示されない蓄電手段としての二次電池とを併用して使用することが望ましい。
In the figure,
そして、燃料電池スタック11は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池であることが望ましい。
The
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするPEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)型燃料電池、又は、PEM(Proton Exchange Membrane)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル(Fuel Cell)を複数及び直列に結合したスタック(Stack)から成る。 More preferably, PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) type fuel cell or PEM (Proton Exchange Membrane) using hydrogen gas as fuel gas, that is, anode gas, and oxygen or air as oxidant, that is, cathode gas. ) Type fuel cell. Here, the PEM fuel cell is generally a fuel cell in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer that transmits ions such as protons. Are composed of a plurality of stacks connected in series.
本実施の形態において、燃料電池スタック11は、図示されない複数のセルモジュールを有する。該セルモジュールは、燃料電池としての単位セル(MEA:Membrane Electrode Assembly)と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスと空気とを分離するセパレータとを1セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル同士が所定の間隙(げき)を隔てて配設されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
In the present embodiment, the
そして、単位セルは、固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。 The unit cell is composed of an air electrode as an oxygen electrode provided on the solid polymer electrolyte membrane side and a fuel electrode provided on the other side. The air electrode includes an electrode diffusion layer made of a conductive material that permeates while diffusing the reaction gas, and a catalyst layer that is formed on the electrode diffusion layer and is supported in contact with the solid polymer electrolyte membrane. In addition, an air electrode side collector as a net-like current collector in which a large number of apertures that pass through a mixed flow of air and water are collected in contact with the electrode diffusion layer on the air electrode side of the unit cell; It has a fuel electrode side collector as a net-like current collector for contacting the electrode diffusion layer on the fuel electrode side of the unit cell and leading out current to the outside.
前記単位セルにおいては、燃料極側コレクタの燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンが水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、空気流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。 In the unit cell, when fuel gas, that is, hydrogen gas as anode gas, is supplied into the fuel chamber of the fuel electrode side collector, hydrogen is decomposed into hydrogen ions and electrons, and the hydrogen ions are accompanied by water, resulting in a solid high Permeates through the molecular electrolyte membrane. Further, when the air electrode is used as a cathode electrode and an oxidant, that is, air as a cathode gas, is supplied into an oxygen chamber as an air flow path, oxygen in the air is combined with the hydrogen ions and electrons to form water. Is generated. Moisture permeates through the solid polymer electrolyte membrane as reverse diffusion water and moves into the fuel chamber of the fuel electrode side collector. Here, the reverse diffusion water means that water generated in the oxygen chamber diffuses into the solid polymer electrolyte membrane and permeates into the fuel chamber through the solid polymer electrolyte membrane in the direction opposite to the hydrogen ions. It is a thing.
また、12は、燃料電池スタック11に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置である水素ガス貯蔵体である。該水素ガス貯蔵体12は、密閉容器中に収容された活性炭等のように水素を吸着する水素吸着体、又は、水素吸蔵合金のように水素を吸蔵する水素吸蔵体を備え、前記水素吸着体に吸着された水素又は水素吸蔵体に吸蔵された水素を放出することによって、水素ガスを燃料電池スタック11に供給する。また、水素ガス貯蔵体12内の温度T1 及び圧力P1 は、貯蔵体内温度検出器13及び貯蔵体内圧力検出器14によって測定される。なお、水素吸着体又は水素吸蔵体は、温度が高いほど多くの水素を放出するので、水素ガス貯蔵体12内の温度T1 を制御することによって水素ガス貯蔵体12から燃料電池スタック11への水素ガスの供給量を制御することができる。
そして、20は燃料電池スタック11を冷却するための燃料電池冷却システムであり、一般的な車両用内燃機関等の冷却システムと同様に、循環する冷媒によって燃料電池スタック11を冷却するシステムである。ここで、21は、内部を冷媒が流通するパイプとしての冷媒管路23に配設された放熱器としてのラジエータであり、冷媒と外気とを熱交換させることによって、冷媒の熱を外気中に放熱して冷媒を冷却する。また、前記ラジエータ21は、図示されないモータによって駆動される冷却ファン22を備え、冷媒の温度が高くなった場合等には、必要に応じて冷却ファン22を作動させることによって、冷媒を冷却する能力を高めることができる。なお、前記冷媒は、水、油等の液体であるが、いかなる種類の冷媒であってもよい。
Reference numeral 20 denotes a fuel cell cooling system for cooling the
また、前記冷媒管路23には冷媒を循環させるための循環ポンプ28が配設されている。該循環ポンプ28は図示されないモータによって駆動される。なお、冷媒は、図において矢印で示される方向に循環するものとして説明する。
The
さらに、前記冷媒管路23における燃料電池スタック11と循環ポンプ28との間には、前記冷媒管路23の一部をバイパスするように第1加熱管路24が接続されている。該第1加熱管路24は、少なくとも一部が水素ガス貯蔵体12内を通過するように配設され、燃料電池スタック11から流出した冷媒を選択的に流通させて水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を必要に応じて加熱することができるようになっている。なお、前記第1加熱管路24における水素ガス貯蔵体12の入口側及び出口側、並びに、冷媒管路23における第1加熱管路24によってバイパスされた部分には、第1流量調整弁25、第2流量調整弁26及び第3流量調整弁27が各々配設されている。そして、前記第1流量調整弁25、第2流量調整弁26及び第3流量調整弁27を操作することによって、第1加熱管路24を流通する冷媒の量を調整することができる。
Further, a first heating pipe 24 is connected between the
また、前記冷媒管路23には、燃料電池スタック11から流出した直後の冷媒温度T2 を測定する第1冷媒温度検出器31、ラジエータ21に流入する直前の冷媒温度T3 を測定する第2冷媒温度検出器32、及び、燃料電池スタック11に流入する直前の冷媒温度T4 を測定する第3冷媒温度検出器33が配設されている。
The
そして、40は車両に搭載された図示されない冷凍庫内を冷却するために配設された蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用した冷凍サイクル式冷却システムである。ここで、該冷凍サイクル式冷却システム40は、一般的な冷蔵庫、冷凍庫、家庭用空調機、車両用空調機等に利用される冷凍サイクルと同様のシステムであり、例えば、車両の室内を冷却するための車両用空調機として配設されたシステムであってもよいが、本実施の形態においては、車両に搭載された冷凍庫内を冷却するためのシステムであるものとして説明する。 Reference numeral 40 denotes a refrigeration cycle cooling system that uses a vapor compression refrigeration cycle arranged to cool a freezer (not shown) mounted on the vehicle. Here, the refrigeration cycle type cooling system 40 is a system similar to a refrigeration cycle used for general refrigerators, freezers, home air conditioners, vehicle air conditioners, and the like, for example, for cooling the interior of a vehicle. However, in the present embodiment, it will be described as a system for cooling the inside of a freezer mounted on a vehicle.
ここで、41は、内部を冷媒が流通するパイプとしての冷媒管路42に配設された圧縮機としてのコンプレッサであり、気相の冷媒を圧縮する。なお、冷凍サイクル式冷却システム40の冷媒は、例えば、特定フロン類の代替品として開発が進められたフロン類似品である、いわゆる代替フロンであるが、いかなる種類の冷媒であってもよい。
Here, reference numeral 41 denotes a compressor as a compressor disposed in a
さらに、前記冷媒管路42における冷媒の流通方向に関するコンプレッサ41の下流側には、冷媒用凝縮器としてのコンデンサ43が配設されている。そして、コンプレッサ41によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、前記コンデンサ43内において冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。なお、前記コンプレッサ41は、図示されないモータによって駆動される。また、前記コンデンサ43は、図示されないモータによって駆動される冷却ファン44を備え、冷媒の温度が高くなった場合等には、必要に応じて冷却ファン44を作動させることによって、冷媒を冷却する能力を高めることができる。
Further, a
そして、前記冷媒管路42における冷媒の流通方向に関するコンデンサ43の下流側には、膨張弁45が配設されている。さらに、前記冷媒管路42における冷媒の流通方向に関する膨張弁45の下流側には、冷媒用蒸発器としてのエバポレータ46が配設されている。なお、該エバポレータ46は、図示されない冷凍庫内に配設されている。そして、飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒は、膨張弁45を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されて、エバポレータ46内に流入する。該エバポレータ46において、前記冷媒は冷凍庫内の空気から熱を吸収し、再び、コンプレッサ41に吸引される。これにより、冷凍庫内の空気が冷却され、さらに、冷凍庫内の貯蔵物が冷却される。なお、冷媒は図において矢印で示される方向に循環するものとして説明する。
An
また、前記冷媒管路42におけるコンプレッサ41と膨張弁45との間には、コンデンサ43をバイパスするように第2加熱管路47が接続されている。該第2加熱管路47は、少なくとも一部が水素ガス貯蔵体12内を通過するように配設され、コンプレッサ41によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒を選択的に流通させ、水素ガス貯蔵体12内の部分において、冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。そして、冷媒が液化する際に放出される熱によって、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱することができるようになっている。
Further, a second heating pipe 47 is connected between the compressor 41 and the
なお、第2加熱管路47における水素ガス貯蔵体12の入口側及び出口側には、第4流量調整弁48及び第5流量調整弁49が各々配設されている。そして、前記第4流量調整弁48及び第5流量調整弁49を操作することによって、第2加熱管路47を流通する冷媒の量を調整することができる。この場合、コンプレッサ41から吐出されたすべての冷媒が第2加熱管路47に流入するようにしてもよいし、一部の冷媒のみが第2加熱管路47に流入するようにしてもよい。さらに、コンデンサ43に流入する冷媒と第2加熱管路47に流入する冷媒との割合を調整することができるようにしてもよい。
Note that a fourth flow
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないFCコントロールECU(Electronic Control Unit)を有する。前記制御装置は、CPU、MPU等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、貯蔵体内温度検出器13、貯蔵体内圧力検出器14、第1冷媒温度検出器31、第2冷媒温度検出器32及び第3冷媒温度検出器33を含む各種のセンサから燃料電池スタック11の燃料流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧、水素ガス貯蔵体12内の温度T1 及び圧力P1 、冷媒の温度等を検出して、前記冷却ファン22、循環ポンプ28、第1流量調整弁25、第2流量調整弁26、第3流量調整弁27、コンプレッサ41、冷却ファン44、第4流量調整弁48、第5流量調整弁49等の動作を制御する。さらに、前記FCコントロールECUは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないEV(Electric Vehicle)コントロールECUと連携して、燃料電池スタック11に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。
In the present embodiment, the fuel cell system has an FC control ECU (Electronic Control Unit) (not shown) as a control device. The control device includes a calculation means such as a CPU and an MPU, a storage means such as a magnetic disk and a semiconductor memory, an input / output interface, etc., and a storage
そして、前記FCコントロールECUは、水素ガス貯蔵体12から燃料電池スタック11へ必要な量の水素ガスが供給されるように、燃料電池冷却システム20の冷媒を第1加熱管路24に流入させたり、冷凍サイクル式冷却システム40の冷媒を第2加熱管路47に流入させたりすることによって、水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するようになっている。
Then, the FC control ECU causes the refrigerant of the fuel cell cooling system 20 to flow into the first heating line 24 so that a necessary amount of hydrogen gas is supplied from the hydrogen
次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。 Next, the operation of the fuel cell system having the above configuration will be described.
まず、冷凍サイクル式冷却システム40を作動させない場合の動作について説明する。なお、冷凍サイクル式冷却システム40を作動させない場合とは、例えば、車両に搭載された冷凍庫を使用しない場合である。そして、水素ガス貯蔵体12から燃料電池スタック11へ供給される水素ガスの必要量を確保するために、水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱して水素を放出させる必要がある。そこで、冷凍サイクル式冷却システム40を作動させない場合には、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するのに必要な熱エネルギーのすべてを燃料電池冷却システム20の廃熱で賄うようになっている。
First, the operation when the refrigeration cycle cooling system 40 is not operated will be described. The case where the refrigeration cycle cooling system 40 is not operated is, for example, a case where a freezer mounted on a vehicle is not used. And in order to secure the necessary amount of hydrogen gas supplied from the hydrogen
まず、冷凍サイクル式冷却システム40の冷媒が第2加熱管路47内を流通しないようにするために、FCコントロールECUは、第4流量調整弁48及び第5流量調整弁49を閉じて第2加熱管路47を遮断する。続いて、FCコントロールECUは、第1流量調整弁25及び第2流量調整弁26を開けて、燃料電池冷却システム20の冷媒が第1加熱管路24を流通するようにする。また、第3流量調整弁27を閉じ放しの状態とする。なお、該第3流量調整弁27の開いている時間を調整することによって第1加熱管路24を流通する冷媒の量を調整することができるので、第3流量調整弁27を間欠的に閉じるようにすることもできる。
First, in order to prevent the refrigerant of the refrigeration cycle type cooling system 40 from flowing through the second heating pipe 47, the FC control ECU closes the fourth flow
続いて、FCコントロールECUは、循環ポンプ28を作動させて燃料電池冷却システム20の冷媒を循環させる。そして、燃料電池スタック11の運転を開始させると、該燃料電池スタック11を冷却して加熱された冷媒が第1加熱管路24を流通して、水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱する。これにより、水素ガス貯蔵体12内の温度T1 が上昇し、多くの水素が水素吸着体又は水素吸蔵体から放出される。
Subsequently, the FC control ECU operates the circulation pump 28 to circulate the refrigerant of the fuel cell cooling system 20. When the operation of the
この場合、FCコントロールECUは、貯蔵体内温度検出器13及び貯蔵体内圧力検出器14によって測定される水素ガス貯蔵体12内の温度T1 及び圧力P1 を監視する。そして、前記温度T1 及び圧力P1 が水素吸着体又は水素吸蔵体の種類や、燃料電池システムの仕様によって設定された上限値を超えないように、第3流量調整弁27の開いている時間を調整することによって、水素ガス貯蔵体12への熱の流入量を調整する。また、FCコントロールECUは、第2冷媒温度検出器32によって測定されたラジエータ21に流入する直前の冷媒温度T3 を監視する。そして、必要に応じて冷却ファン22を作動させてラジエータ21による冷媒の冷却能力を調整し、第3冷媒温度検出器33によって測定される燃料電池スタック11に流入する直前の冷媒温度T4 が冷媒の温度の上限値を超えないようにする。
In this case, the FC control ECU monitors the temperature T 1 and the pressure P 1 in the hydrogen
このように、燃料電池スタック11を冷却することによって生じた廃熱を利用して水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するため、電気ヒータ等の加熱手段を必要としないので、該加熱手段を配設するためのコスト及び加熱手段に供給するエネルギーを削減することができる。そのため、燃料電池システムのコストを低減することができ、消費電力量も低減することができる。特に、燃料電池スタック11が100〔℃〕以上の温度で運転を行う、いわゆる高温運転用固体高分子型燃料電池である場合には、十分な熱量の廃熱が生じるので、燃料電池冷却システム20だけで水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱することができる。
Thus, since the hydrogen adsorber or the hydrogen occlusion body in the hydrogen
また、冷媒が第1加熱管路24を流通することによって冷却されるので、ラジエータ21の冷却能力を大きくする必要がない。そのため、ラジエータ21を小型軽量化することができ、コストを低減することができるとともに、燃料電池システム全体を小型軽量化することができる。さらに、冷却ファン22を作動させる必要性も低減されるので、該冷却ファン22を駆動するモータの消費電力量を低減することができる。
Moreover, since the refrigerant is cooled by flowing through the first heating pipe 24, it is not necessary to increase the cooling capacity of the radiator 21. Therefore, the radiator 21 can be reduced in size and weight, the cost can be reduced, and the entire fuel cell system can be reduced in size and weight. Furthermore, since the necessity for operating the cooling
さらに、水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために必要とされる熱量が増加しても、燃料電池スタック11を冷却することによって生じた廃熱が増加するので、新たな熱源を必要とすることがない。これは、水素吸着体又は水素吸蔵体をより加熱すると、より多くの水素が水素吸着体又は水素吸蔵体から放出されて燃料電池スタック11に供給されるので、該燃料電池スタック11を冷却することによって生じた廃熱も増加するためである。したがって、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するために必要とされる熱量の変動が広範囲に亘っても、燃料電池冷却システム20の廃熱で対応することができる。
Furthermore, even if the amount of heat required to heat the hydrogen adsorber or the hydrogen occlusion body in the hydrogen
次に、冷凍サイクル式冷却システム40を作動させる場合の動作について説明する。 Next, the operation for operating the refrigeration cycle cooling system 40 will be described.
図2は本発明の実施の形態における冷却システムの要求電力量と該要求電力量に対応する量の水素を放出させるために使用される熱量との関係を示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the required power amount of the cooling system and the amount of heat used to release an amount of hydrogen corresponding to the required power amount in the embodiment of the present invention.
車両に搭載された冷凍庫を使用するために冷凍サイクル式冷却システム40を作動させる場合には、水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するのに必要な熱エネルギーのすべてを冷凍サイクル式冷却システム40の廃熱で賄うようになっている。なお、燃料電池システムは作動するので、燃料電池冷却システム20が作動して、その冷媒によって燃料電池スタック11を冷却しているものである。
When the refrigeration cycle type cooling system 40 is operated to use a freezer mounted on a vehicle, all of the thermal energy necessary for heating the hydrogen adsorber or the hydrogen occlusion body in the hydrogen
まず、冷凍サイクル式冷却システム40の冷媒が第2加熱管路47内を流通するようにするために、FCコントロールECUは、第4流量調整弁48及び第5流量調整弁49を開けて第2加熱管路47を連通させる。この場合、第4流量調整弁48及び第5流量調整弁49を開け放しの状態とする。なお、前記第4流量調整弁48及び第5流量調整弁49の開いている時間を調整することによって第2加熱管路47を流通する冷媒の量を調整することができるので、前記第4流量調整弁48及び第5流量調整弁49を間欠的に閉じるようにすることもできる。
First, in order to allow the refrigerant of the refrigeration cycle type cooling system 40 to flow through the second heating pipe 47, the FC control ECU opens the second flow
続いて、FCコントロールECUは、第1流量調整弁25及び第2流量調整弁26を閉じて、燃料電池冷却システム20の冷媒が第1加熱管路24を遮断する。また、第3流量調整弁27を開けて、循環ポンプ28を作動させて燃料電池冷却システム20の冷媒を循環させる。そして、燃料電池スタック11の運転を開始させると、該燃料電池スタック11を冷却して加熱された冷媒が第1加熱管路24を通過することなく冷媒管路23を循環する。これにより、冷媒はラジエータ21を通過することによって冷却される。この場合、FCコントロールECUは、第2冷媒温度検出器32によって測定されたラジエータ21に流入する直前の冷媒温度T3 を監視する。そして、必要に応じて冷却ファン22を作動させてラジエータ21による冷媒の冷却能力を調整し、第3冷媒温度検出器33によって測定される燃料電池スタック11に流入する直前の冷媒温度T4 が冷媒の温度の上限値を超えないようにする。
Subsequently, the FC control ECU closes the first flow
また、FCコントロールECUは、コンプレッサ41を作動させて冷凍サイクル式冷却システム40の冷媒を循環させる。すると、コンプレッサ41によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、第2加熱管路47に流入し、水素ガス貯蔵体12内の部分において、冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。そして、冷媒が液化する際に放出される熱によって、水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱する。これにより、水素ガス貯蔵体12内の温度T1 が上昇し、多くの水素が水素吸着体又は水素吸蔵体から放出される。
Further, the FC control ECU operates the compressor 41 to circulate the refrigerant of the refrigeration cycle type cooling system 40. Then, the gas-phase refrigerant compressed to the state of the high-temperature and high-pressure superheated gas by the compressor 41 flows into the second heating pipe 47 and is liquefied by being cooled in the portion inside the hydrogen
この場合、FCコントロールECUは、貯蔵体内温度検出器13及び貯蔵体内圧力検出器14によって測定される水素ガス貯蔵体12内の温度T1 及び圧力P1 を監視する。そして、前記温度T1 及び圧力P1 が水素吸着体又は水素吸蔵体の種類や、燃料電池システムの仕様によって設定された上限値を超えないように、第4流量調整弁48及び第5流量調整弁49の開いている時間を調整することによって、水素ガス貯蔵体12への熱の流入量を調整する。
In this case, the FC control ECU monitors the temperature T 1 and the pressure P 1 in the hydrogen
そして、第2加熱管路47を通過することによって飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒は、膨張弁45を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されて、エバポレータ46内に流入する。該エバポレータ46において、前記冷媒は冷凍庫内の空気から熱を吸収し、再び、コンプレッサ41に吸引される。これにより、冷凍庫内の空気が冷却され、さらに、冷凍庫内の貯蔵物が冷却される。
Then, the refrigerant that has become a saturated liquid or supercooled liquid state by passing through the second heating pipe 47 is decompressed to a low-temperature and low-pressure wet steam state by passing through the
このように、冷凍庫内を冷却することによって生じた廃熱を利用して水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱するため、電気ヒータ等の加熱手段を必要としないので、加熱手段を配設するためのコスト及び加熱手段に供給するエネルギーを削減することができる。そのため、燃料電池システムのコストを低減することができ、消費電力量も低減することができる。
Thus, in order to heat the hydrogen adsorbent or the hydrogen occlusion body in the hydrogen
また、冷凍サイクル式冷却システム40の冷媒が第2加熱管路47を流通することによって冷却されるので、コンデンサ43の冷却能力を大きくする必要がない。そのため、コンデンサ43を小型軽量化することができ、コストを低減することができるとともに、冷凍サイクル式冷却システム40全体を小型軽量化することができる。さらに、冷却ファン44を作動させる必要性も低減されるので、該冷却ファン44を駆動するモータの消費電力量を低減することができる。
Further, since the refrigerant of the refrigeration cycle type cooling system 40 is cooled by flowing through the second heating pipe 47, it is not necessary to increase the cooling capacity of the
さらに、冷凍サイクル式冷却システム40の負荷が増加してその要求電力量が増加した場合、燃料電池スタック11の出力が自動的に増加して、必要な電力量が自動的に冷凍サイクル式冷却システム40に供給される。
Further, when the load of the refrigeration cycle type cooling system 40 increases and the required electric energy increases, the output of the
例えば、冷凍庫内をより低温になるようにしたり、貯蔵物の出し入れが頻繁で冷凍庫内により多くの外気が流入したりする場合には、冷媒がエバポレータ46において冷凍庫内の空気からより多くの熱を吸収する必要があるので、より多くの冷媒を循環させるためにコンプレッサ41の負荷が増加する。そのため、前記コンプレッサ41を駆動するために必要な電力量が増加し、その結果、冷凍サイクル式冷却システム40全体の要求電力量が増加する。一方、より多くの冷媒を循環させると、第2加熱管路47を通過する冷媒から放出される熱量が増加し、水素ガス貯蔵体12内の水素吸着体又は水素吸蔵体がより加熱される。そのため、より多くの水素が水素吸着体又は水素吸蔵体から放出されて燃料電池スタック11に供給されるので、燃料電池スタック11の出力がより増加し、より多くの電力量が冷凍サイクル式冷却システム40に供給される。
For example, when the inside of the freezer is cooled to a lower temperature, or when stored items are frequently taken in and out and more outside air flows into the freezer, the refrigerant generates more heat from the air in the freezer at the evaporator 46. Since it is necessary to absorb, the load of the compressor 41 increases in order to circulate more refrigerant. Therefore, the amount of electric power necessary for driving the compressor 41 increases, and as a result, the required electric energy of the entire refrigeration cycle cooling system 40 increases. On the other hand, when more refrigerant is circulated, the amount of heat released from the refrigerant passing through the second heating pipe 47 is increased, and the hydrogen adsorbent or hydrogen occlusion body in the hydrogen
なお、本発明の発明者が行った実験の結果、冷凍サイクル式冷却システム40の要求電力量と水素ガス貯蔵体12から要求電力量に対応する量の水素を放出するために必要な熱量との間には、図2に示されるような関係があることが分かった。なお、図2においては、横軸に冷凍サイクル式冷却システム40の要求電力量を採り、縦軸にはそれに対応する量の水素を放出するために使用される熱量を採ってある。この実験では、水素吸蔵合金等の水素吸蔵体が収容された水素ガス貯蔵体12を使用した。このことから、冷凍サイクル式冷却システム40の負荷が増加して要求電力量が増加すると、水素ガス貯蔵体12内を加熱するための熱量が増加し、その結果、水素ガス貯蔵体12から放出されて燃料電池スタック11に供給される水素の量が増加して燃料電池スタック11の出力が自動的に増加して、必要な電力量が自動的に冷凍サイクル式冷却システム40に供給されることが分かる。
As a result of experiments conducted by the inventor of the present invention, the required power amount of the refrigeration cycle type cooling system 40 and the heat amount necessary for releasing hydrogen corresponding to the required power amount from the hydrogen
このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、水素吸着体又は水素吸蔵体を収容する水素ガス貯蔵体12の廃熱を利用して加熱するようになっている。そのため、燃料電池スタック11の出力、すなわち、発電量に対応する量の水素ガスを安定的に燃料電池スタック11に供給することができる。また、燃料電池スタック11を加熱するための電気ヒータ等の加熱手段を必要としないので、電力消費量を低減することができる。さらに、冷却ファン22及び44等の補機類の消費する電力量を低減することができる。
Thus, in this Embodiment, a fuel cell system heats using the waste heat of the hydrogen
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
11 燃料電池スタック
12 水素ガス貯蔵体
20 燃料電池冷却システム
21 ラジエータ
24 第1加熱管路
28 循環ポンプ
40 冷凍サイクル式冷却システム
41 コンプレッサ
43 コンデンサ
46 エバポレータ
47 第2加熱管路
11
Claims (3)
水素吸着体又は水素吸蔵体を収容し、前記燃料流路に供給される水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵体と、
前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池冷却システムと、
車両用空調機用又は車両用冷凍庫用の冷凍サイクル式冷却システムとを有し、
前記燃料電池冷却システム及び冷凍サイクル式冷却システムは、それぞれ、冷媒が流通する管路を備え、
前記燃料電池冷却システムの管路及び冷凍サイクル式冷却システムの管路は、それぞれ、前記水素ガス貯蔵体内を通過する管路及び通過しない管路を備え、
前記冷凍サイクル式冷却システムの廃熱によって前記水素ガス貯蔵体に収容された水素吸着体又は水素吸蔵体を加熱することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode, and is stacked with a separator having a fuel flow path formed along the fuel electrode;
A hydrogen gas storage body that contains a hydrogen adsorbent or a hydrogen storage body and stores hydrogen gas supplied to the fuel flow path;
A fuel cell cooling system for cooling the fuel cell stack;
A refrigeration cycle cooling system for a vehicle air conditioner or a vehicle freezer,
Each of the fuel cell cooling system and the refrigeration cycle cooling system includes a conduit through which a refrigerant flows,
The fuel cell cooling system pipe and the refrigeration cycle cooling system pipe each include a pipe passing through the hydrogen gas storage body and a pipe passing through the hydrogen gas storage body, respectively.
A fuel cell system, wherein a hydrogen adsorber or a hydrogen occlusion body accommodated in the hydrogen gas storage body is heated by waste heat of the refrigeration cycle cooling system.
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