JP2003173809A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池システムの運転停止時に内部に存在す
る純水を一時的に貯留しておき、起動時にこの貯留した
純水を集中的に解凍することにより、効率のよい凍結解
除を可能とする。 【解決手段】水素を含む改質ガスを生成する改質器２
と、改質ガスと空気の供給を受けて発電する燃料電池１
と、燃料電池システム内で循環する水を貯留しうる蛇腹
構造をもつ容量可変なアキュムレータ１０を備える。低
温環境下で燃料電池システムの運転を停止するときに燃
料電池システム内を循環する水を前記アキュムレータ１
０に抜き取って蓄え、前記運転を再開するときに改質器
２からの高温ガスをアキュムレータ１０の周辺に導いて
アキュムレータ内を加熱し、凍結した水を解凍する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は燃料電池システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムとして、炭化水素燃料
を改質して水素含有ガスを生成する改質器を備え、この
改質ガスを燃料電池に供給することにより発電する方式
が広く知られている。

【０００３】燃料電池システムにあっては、発電が発熱
を伴うので、内部を冷却するために冷却液を循環させて
おり、この冷却液としては燃料電池内部での短絡を防
ぎ、電極触媒の被毒を避けるために純水が用いられるこ
とが多く、また燃料電池の電解質膜には水分が含有され
ていなければならず、さらには供給される改質ガス、酸
化剤ガス（空気）は加湿されることが多い。そこで発電
に伴って発生する純水を排出ガスから回収し、前記加湿
器に供給して、燃料電池システム内における純水の収支
バランスをとったりしている。

【０００４】このように燃料電池システムの内部ではさ
まざま部位に純水が循環し、使用されているが、この燃
料電池システムが自動車用のパワープラントに利用され
たときなど、自動車が氷点下の環境下で運転を停止した
状態で長時間放置されると、システム内の純水が凍結す
ることがある。

【０００５】したがって燃料電池システムの低温からの
起動時には、凍結した純水を解凍する必要があり、特開
２０００−２５１９１５によって、改質器で生成される
高温のガスを用いて純水を解凍することが提案されてい
る。

【０００６】改質器で生成される改質ガスは比較的に高
温となり、この高温ガスによって純水を蓄えるタンクや
配管を暖め、凍り付いた純水を溶解するのである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、タンク
や配管の外側から加熱しても、燃料電池内部に残った純
水は簡単には解凍できず、この間は加熱のためにだけ改
質器を運転することになり、燃料電池システムの燃費効
率が悪化するのが避けられない。

【０００８】つまり、消費される炭化水素系燃料は発電
のために使用されることなく、単に起動時の凍結解除の
ために消費されることになり、燃料電池システムとして
の燃費が悪化するのである。

【０００９】また、燃料電池スタック内部に純水を残し
たまま凍結すると、水の体積変化によりスタックを破壊
する可能性があるため、凍結が予想される場合はスタッ
クから水を抜きたいという要求もある。

【００１０】本発明は燃料電池システムの運転停止時に
内部に存在する純水を一時的にアキュムレータに貯留し
ておき、起動時にこの貯留した純水を集中的に解凍する
ことにより、効率のよい凍結解除が可能となる燃料電池
システムを提供することを目的とする。

【００１１】また、本発明は燃料電池スタックからの水
抜きを容易に行える燃料電池システムを提供することを
も目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、水素を含
む改質ガスを生成する改質器と、改質ガスと酸化剤ガス
の供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池システム
内で循環する水を貯留しうる蛇腹構造をもつ容量可変な
アキュムレータとを備え、低温環境下で燃料電池システ
ムの運転を停止するときに燃料電池システム内を循環す
る水を前記アキュムレータに抜き取って蓄え、前記運転
を再開するときに前記改質器からの高温ガスを前記アキ
ュムレータの周辺に導いてアキュムレータ内を加熱する
ようにしたことを特徴とする燃料電池システム。

【００１３】第２の発明は、第１の発明において、前記
燃料電池システムの運転停止時に、燃料電池を冷却する
冷却水循環系の冷却水が抜き取られてアキュムレータに
蓄えられる。

【００１４】第３の発明は、第１または第２の発明にお
いて、前記改質器からの高温ガスを空気と共に燃焼器で
燃焼させ、この燃焼ガスを前記アキュムレータの周辺に
導くようにした。

【００１５】第４の発明は、第１または第２の発明にお
いて、前記改質器からの高温ガスを空気と混合器で混合
し、この混合ガスを外表面に酸化触媒を担持させた前記
アキュムレータの周辺に導くようにした。

【００１６】第５の発明は、第２から第４の発明におい
て、前記アキュムレータを加熱後のガスを、燃料電池の
冷却系に導入して燃料電池を加温する。

【００１７】第６の発明は、第３または第４の発明にお
いて、前記アキュムレータを加熱後のガスを、燃料電池
の反応ガス流路に導入して燃料電池を加温する。

【００１８】第７の発明は、第１から第６の発明におい
て、前記燃料電池システムの運転停止時には前記アキュ
ムレータを拡大させてシステム内から水を抜き取り、運
転再開時にアキュムレータを加熱して解凍した後にアキ
ュムレータを縮小させて水をシステム内に戻す。

【００１９】第８の発明は、第１から第７の発明におい
て、前記アキュムレータの周囲を所定の空間を介在させ
て覆うシュラウドを設け、このシュラウド内の空間に前
記高温ガスを導入するように管路接続し、アキュムレー
タを伸縮させるアクチュエータをシュラウドの外部に備
えた。

【００２０】

【作用・効果】第１の発明にあっては、燃料電池システ
ム内を循環する水をアキュムレータに抜き出しておき、
運転再開時にこのアキュムレータを改質器から高温ガス
で加熱することにより凍った水を解凍するので、システ
ム内の水を効率よく短時間のうちに加熱解凍でき、燃料
電池システムの燃費効率が改善される。この場合、改質
器からのガスとしては、暖機運転中の比較的低温なガス
までも利用することが可能となる。アキュムレータは蛇
腹により拡縮する容量可変構成のため、システム内から
の水の抜き取りもポンプなどを利用することなく行え、
構成の簡略化が実現でき、また蛇腹の表面積が大きいこ
とから、加熱時の熱の伝達効率も高く、さらに内部に蓄
えた水が凍結したときには体積膨張を吸収して、その破
損を自動的に回避できる。

【００２１】第２の発明では、燃料電池を冷却する水を
抜き取ることにより、燃料電池内での凍結による破損を
回避でき、また、冷却水として不凍液などを含ませる必
要がなく、燃料電池システム効率のよい純水の利用が可
能となる。

【００２２】第３の発明では、改質器からのガスを燃焼
器で燃焼してさらに高温化したガスを導入することによ
り、アキュムレータの加熱をさらに効率よく行える。

【００２３】第４の発明では、アキュムレータの酸化触
媒を担持させた面積の大きな蛇腹面で直接的に酸化発熱
反応が起きるので、アキュムレータでの熱交換がきわめ
て高効率となり、燃費の改善が図れる。

【００２４】第５の発明では、アキュムレータを加熱し
た後のガスを燃料電池の冷却系に導入することにより、
廃熱を利用して燃料電池を加温予熱することができ、し
かも冷却系はもともと熱交換のためのものであり、廃熱
であっても効率のよい熱交換ができ、運転再開時の燃料
電池の暖機の促進が図れる。

【００２５】第６の発明では、アキュムレータを加熱し
た後のガスを燃料電池の反応ガス流路に導くので、燃料
電池を廃熱を利用して効率よく加温でき、電極通路は排
気通路とも接続しているので、加温に用いたガスをその
まま排出することができ、また加温に用いるガスは燃焼
器又は触媒で燃焼して一酸化炭素を含まないので、電極
触媒の損傷も回避できる。

【００２６】第７の発明では、アキュムレータを拡大縮
小することにより、システム内から水を抜き取ったり、
供給したりするので、このための特別な吸入、吐出機構
が不要で、構造の簡略化が図れる。

【００２７】第８の発明では、アキュムレータの周囲に
シュラウドを設けて加熱用の空間を形成するので、アキ
ュムレータの加熱のための構造が簡単となり、またアキ
ュムレータをシュラウドの外から伸縮動作させること
で、加熱時の悪影響も回避できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２９】図１は第１の実施形態であり、本発明を自
動車に搭載される燃料電池を動力源とするパワープラン
トシステムに適用した場合を示す。

【００３０】図中１は燃料電池スタックであり、そのア
ノード極１ａには、ガソリンなどの炭化水素燃料を改質
器２で改質して得られた水素含有ガスが供給され、また
カソード極１ｂには、コンプレッサまたはブロア（図示
せず）からの空気が供給され、これら水素含有ガスと空
気中の酸素を電気化学反応させて発電する。

【００３１】燃料電池スタック１は発電により発熱する
が、これを冷却するために、燃料電池スタック１内に形
成した冷却水チャンネルに冷却水を循環させる冷却水循
環系が構成される。このため、ポンプ７によって冷却水
が管路８を経由して燃料電池スタック１内の冷却水チャ
ンネルに送り込まれ、燃料電池スタック１を冷却したの
ち、管路９を介してアキュムレータ１０に一時的に貯留
される。アキュムレータ１０を出た冷却水は熱交換器１
１で熱交換により冷却され、再びポンプ７へと導かれ
る。

【００３２】なお熱交換器１１では燃料電池システムの
二次冷却系１２の冷媒と熱交換が行われ、燃料電池スタ
ック１を直接的に冷却する冷却水循環系の冷却水を冷や
す。

【００３３】冷却水循環系の冷却水は燃料電池スタック
内での電気的短絡を避けるために電気伝導度を低く保つ
必要があり、通常は純水が用いられる。この純水は０℃
以下で凍り、燃料電池システムの運転停止時など、凍結
に伴う体積膨張で燃料電池スタック内が損傷を受けるこ
とのないように、運転停止時には冷却水を抜き取る必要
がある。

【００３４】このために前記アキュムレータ１０が利用
される。アキュムレータ１０はステンレススチールなど
の金属製であり、薄い金属蛇腹１０ａをもつ円筒形に形
成されており、その外側は空間２７を介在させた状態で
シュラウド１３により覆われている。アキュムレータ１
０の下底板１０ｃはボルト２５によりシュラウド１３に
固定されるが、上底板１０ｄにはロッド２１が連結さ
れ、ロッド２１がシュラウド上部を摺動自由に貫通し、
図示しないアクチュエータ（シリンダ装置）と連結す
る。

【００３５】したがって、アクチュエータを駆動するこ
とにより、ロッド２１が上昇するとアキュムレータ１０
の内部容積が拡大し、内部に入口管路２３と、出口管路
２２を介して冷却水を吸い込むことが可能となってい
る。入口管路２３は屈曲しやすい屈曲管２４によりアキ
ュムレータ１０と接続し、アキュムレータ１０の伸縮動
作を妨げないようになっている。

【００３６】次に、前記改質器２とアノード極１ａを結
ぶガス供給ライン３の途中から切換弁５を介して分岐ガ
スライン１４が分岐し、この分岐ガスライン１４は燃焼
器１５を経由したのち、シュラウド１３の下方の入口１
３ａによりシュラウド内部の空間２７と接続する。

【００３７】前記燃焼器１５には、前記カソード極１ｂ
に空気を送り込む空気供給ライン４の途中から切換弁６
を介して分岐した分岐空気ライン１６が接続され、前記
した燃料電池システムの運転再開時に、改質器２からの
燃料ガス中に空気を混入することで燃焼させ、その燃焼
ガスをシュラウド内に送り込み、運転停止中にアキュム
レータ内の冷却水が凍結したときなどに、アキュムレー
タ１０を周囲から加熱するようになっている。

【００３８】シュラウド１３の上方には出口１３ｂが設
けられ、管路１７により前記した冷却水の戻り側となる
管路９に切換弁１８を介して接続する。また、冷却水の
往き側となる管路８からはポンプ７の下流において切換
弁１９を介して大気側に連通させた管路２０が分岐す
る。

【００３９】なお、前記各切換弁５、６、１８、及び１
９はいずれも三方切換弁であり、通常は分岐されない元
の通路を連通し、弁の切り換えにより分岐通路を元の通
路の上流または下流と連通させる。

【００４０】これらにより、燃料電池スタック１の冷却
水循環系から冷却水が抜き取られている状態で、かつア
キュムレータ１０の加熱のための燃焼ガスが供給されて
いるときには、シュラウド１３を通過した加熱用のガス
を、管路９から燃料電池スタック内に導き、内部を暖め
たのち、管路８より管路２０を経由して排気系に排出さ
せるようになっている。

【００４１】３０は燃料電池システムの運転停止時の冷
却水の抜き取りや、運転再開時に凍結があるときの冷却
水の加熱を制御するコントローラであり、このコントロ
ーラ３０が、前記各切換弁の切り換えを行い、またアキ
ュムレータ１０のアクチュエータの制御を行う。コント
ローラ３０には燃料電池システムの運転状態を表す信号
や温度センサ２９からの信号が入力し、これらに基づい
て運転停止中に凍結が予測されるときの冷却水の抜き取
りや、運転再開後の解凍のための加熱を制御する。

【００４２】いま、この制御動作を含めてさらに詳しく
説明する。

【００４３】燃料電池システムの運転終了時に外気温が
低く、冷却水の凍結が予測される場合には、図２のＢに
示すように、アキュムレータ１０を引き伸ばして容積を
拡大し、冷却水循環系から冷却水をアキュムレータ１０
に吸引する。なお、この場合、アキュムレータ１０の拡
大動作中だけ、例えば切換弁１９を管路２０側に切り換
えて大気と連通することにより、燃料電池スタック１の
冷却水チャンネル内などに冷却水循環系に溜まった冷却
水をアキュムレータ１０に吸引し、保持することができ
る。

【００４４】極低温環境下で長時間放置され、アキュム
レータ１０に貯留された純水が凍結したとしても、金属
蛇腹により凍結による体積膨張を吸収することが可能
で、アキュムレータ１０自身が損傷することはない。ま
た、燃料電池スタック１や熱交換器１１からは冷却水が
抜き出されているので、これらも凍結による破損から免
れられる。

【００４５】燃料電池システムの運転を再開するとき
は、まず改質器２による暖機運転が始まる。改質器２が
定格運転に達するまでの間は、通常よりも低い温度（10
0〜300℃）の改質（燃料）ガスが排出され、かつこの改
質ガス中には未燃の一酸化炭素が含まれている。したが
って、この状態では改質ガスを燃料電池スタック１に送
り込むことはできず、従来は外部に排出していたのであ
るが、これを凍結したアキュムレータ１０の解凍にあて
る。

【００４６】このため運転開始時に、切換弁５を分岐ガ
スライン１４側に切り換え、切換弁６を分岐空気ライン
１６側に切り換える。また、切換弁１８を管路１７側に
切り換え、同じく切換弁１９を管路２０側に切り換え
る。

【００４７】これらにより、改質器２からの改質ガスが
燃焼器１５に送り込まれ、同時に導入される空気によ
り、燃焼器１５において改質ガスを燃焼させ、一酸化炭
素も酸化させる。

【００４８】このようにして温度が上昇した燃焼ガス
は、シュラウド１３の内部の空間２７に導かれ、アキュ
ムレータ１０を加熱して内部の純水を解凍する。このと
きアキュムレータ１０は金属蛇腹よる表面積が大きく、
伝熱面積を十分に確保できるので、高温ガスのもつ熱が
アキュムレータ内に効率よく伝達され、短時間のうちに
凍結を解除できる。

【００４９】この熱交換により燃焼ガスの温度は低下す
るものの、外気温度に比較すると十分に高温（60〜100
℃）であり、このガスを管路１７から燃料電池スタック
１の内部に導入することにより、運転停止中に冷やされ
た燃料電池スタック１を予熱し、運転を開始できる程度
に反応効率が高められる温度まで予熱できる。燃料電池
スタック１を予熱した排気ガスは管路２０から外部に排
出される。

【００５０】暖機運転中に改質器２から出される一酸化
炭素を多く含む改質ガスを燃料電池スタック１に流す
と、電極触媒の被毒の問題が発生するが、燃焼器１５に
より一酸化炭素は酸化し、また電極触媒と直接的に接触
しない冷却水チャンネルを利用して燃焼ガスを導入する
ので、触媒の被毒は確実に回避できる。

【００５１】ただし、燃焼器１５からの燃焼ガスは一酸
化炭素を含まないので、アノード極側通路、カソード極
側通路など電極触媒と直接接触する部位に導入して、燃
料電池スタック１の温度を上昇させることも可能であ
る。この場合には各電極側の反応ガス流路は排気通路と
接続しているので、特別な通路を構成することなく、燃
焼ガスをそのまま流すことが可能となる。

【００５２】アキュムレータ１０の加熱中にアクチュエ
ータを作動させて伸縮させると、解凍中に氷と水が混合
攪拌され、これにより解凍を促進することもできる。

【００５３】このようにしてアキュムレータ１０に貯留
されている純水が加熱により解凍したら、前記切換弁
５、６を元に戻し、つまり、改質器２から改質ガスをア
ノード極１ａに、また空気をカソード極１ｂにそれぞれ
供給するように切り換える。この時点では暖機運転が終
了し、改質器２からのガス温度も上昇し、一酸化炭素を
ほとんど含まない改質ガスと空気が燃料電池スタック１
に導入され、ただちに発電が行われる。

【００５４】また、切換弁１８を元に戻し、管路９によ
りアキュムレータ１０の内部と燃料電池スタック１とを
接続し、冷却水循環系に純水が循環するように切り換え
る。そして切換弁１９を管路２０側に接続したままで、
図２のＡに示すように、アキュムレータ１０をアクチュ
エータの駆動により縮小させると、解凍された純水が冷
却水循環系に押し出されていき、管路２０より一部が溢
れ出る間際のところで、切換弁１９を元に戻し、これに
より管路８がポンプ７と燃料電池スタック１とを接続す
るようにする。

【００５５】この状態でポンプ７を駆動すると、冷却水
循環系にアキュムレータ１０からの純水が循環し、発電
を始めた燃料電池スタック１の冷却が開始される。

【００５６】燃料電池システムには、燃料電池スタック
１の冷却系だけでなく、燃料電池スタック排気ガスから
の凝縮水の回収系統や、ガス・空気の加湿器、改質器へ
の反応水の補給系統などにも純水が含まれる場合があ
り、これらについても上記と同様に適用して解凍システ
ムを構成することができる。

【００５７】次に他の実施形態について図３により説明
する。

【００５８】この実施形態では、前記した燃焼器１５の
代わりに改質（燃料）ガスと空気を混合する混合器３１
を設けている。そして、アキュムレータ１０の蛇腹の外
周面１０ａには酸化触媒を担持し、これによりアキュム
レータ１０の解凍時に混合器３１で混合したガスと空気
の混合体をシュラウド１３の内側の空間２７に送り込
み、アキュムレータ１０の表面の酸化触媒によって酸化
反応させ、この反応熱を利用してアキュムレータ１０を
加熱するようにしている。

【００５９】上記したように、燃料電池システムの起動
時に、改質器２で生成されるガスは100〜300℃と比較的
温度が高く、混合器３１で空気と混合されたガスはシュ
ラウド内部の酸化触媒の働きにより容易に酸化反応を起
こす。

【００６０】酸化触媒を担持する蛇腹の表面積は大き
く、したがって十分な伝熱面積が確保され、しかもこの
反応熱によりアキュムレータ１０を直接的に加熱するの
で、効率よく解凍することができ、また燃焼器１５に比
較して単純な混合器３１を備えることで、システム全体
が簡略化、低コスト化できる。

【００６１】本発明は上記の実施の形態に限定されず
に、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がな
しうることは明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す概略構成図であ
る。

【図２】アキュムレータの断面図であり、（Ａ）はアキ
ュムレータの収縮時、（Ｂ）はアキュムレータの伸長時
を表す。

【図３】第２の実施形態を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック １ａ アノード極 １ｂ カソード極 ２ 改質器 ３ ガス供給ライン ４ 空気供給ライン ５ 切換弁 ６ 切換弁 ７ ポンプ ８ 管路 ９ 管路 １０ アキュムレータ １１ 熱交換器 １３ シュラウド １４ 分岐ガスライン １５ 燃焼器 １６ 分岐空気ライン ３０ コントローラ ３１ 混合器

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
   改質ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池
   と、燃料電池システム内で循環する水を貯留しうる蛇腹
   構造をもつ容量可変なアキュムレータとを備え、 低温環境下で燃料電池システムの運転を停止するときに
   燃料電池システム内を循環する水を前記アキュムレータ
   に抜き取って蓄え、 前記運転を再開するときに前記改質器からの高温ガスを
   前記アキュムレータの周辺に導いてアキュムレータ内を
   加熱するようにしたことを特徴とする燃料電池システ
   ム。
2. 【請求項２】前記燃料電池システムの運転停止時に、燃
   料電池を冷却する冷却水循環系の冷却水が抜き取られて
   前記アキュムレータに蓄えられる請求項１に記載の燃料
   電池システム。
3. 【請求項３】前記改質器からの高温ガスを空気と共に燃
   焼器で燃焼させ、この燃焼ガスを前記アキュムレータの
   周辺に導くようにした請求項１または２に記載の燃料電
   池システム。
4. 【請求項４】前記改質器からの高温ガスを空気と混合器
   で混合し、この混合ガスを外表面に酸化触媒を担持させ
   た前記アキュムレータの周辺に導くようにした請求項１
   または２に記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】前記アキュムレータを加熱後のガスを、燃
   料電池の冷却水循環系に導入して燃料電池を加温する請
   求項２〜４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】前記アキュムレータを加熱後のガスを、燃
   料電池の反応ガス流路に導入して燃料電池を加温する請
   求項３または４に記載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】前記燃料電池システムの運転停止時には前
   記アキュムレータを拡大させてシステム内から水を抜き
   取り、運転再開時にアキュムレータを加熱して解凍した
   後にアキュムレータを縮小させて水をシステム内に戻す
   請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池システ
   ム。
8. 【請求項８】前記アキュムレータの周囲を所定の空間を
   介在させて覆うシュラウドを設け、このシュラウド内の
   空間に前記高温ガスを導入するように管路接続し、アキ
   ュムレータを伸縮させるアクチュエータをシュラウドの
   外部に備えた請求項１〜７のいずれか一つに記載の燃料
   電池システム。