JP2004039524A

JP2004039524A - 燃料電池発電装置

Info

Publication number: JP2004039524A
Application number: JP2002197114A
Authority: JP
Inventors: Kuninori Tanaka; 田中　邦典
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05

Abstract

【課題】燃料電池発電装置の低温時の始動性を向上させる。
【解決手段】大小異なる容量の複数の燃料電池１０ａ、１０ｂを備えた燃料電池発電装置において、前記大容量燃料電池１０ａから小容量燃料電池１０ｂへと水素と空気が流れるようにこれら燃料電池１０ａ、１０ｂを直列に配置し、小容量燃料電池１０ｂからの余剰の水素を燃焼させる燃焼器２０と、起動時に小容量電池１０ｂのみを発電させ、大容量燃料電池１０ａからの空気と小容量燃料電池１０ｂからの余剰の水素を燃焼器２０に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池１０ｂの空気極側に導く。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電装置の低温始動性、再起動性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムの低温始動性の向上に関しては、特開２０００−１７３６３８号公報のようなシステムが開示されている。
【０００３】
これは２つの燃料電池を持ち、低温時には片方の燃料電池を主に暖機させることに専念し、暖機後にもう片方の燃料電池を起動、暖機するシステムである。これにより、両方を同時に暖機するのに比べて、暖機時間を短縮することができる。
【０００４】
またこの場合、燃料電池の発電部を複数に分割し、負荷側の要求電力に応じて、使用する発電部の数を最適に制御することも開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来システムでは、低温始動時において作動ガスの加湿方法が開示されておらず、低温始動時に良好な発電状態を実現することは困難である。
【０００６】
また、直列に接続された複数の燃料電池を制御することは、高い電流値での配線接続切り替えが必要であり、電装系の大型化、高コスト化を招くという問題を生じる。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、作動ガスを効率よく加湿することによって暖機時間を短縮し、低温始動性、再起動性を向上させることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、大小異なる容量の複数の燃料電池を備えた燃料電池発電装置において、前記大容量の燃料電池から小容量の燃料電池へと水素と空気が流れるようにこれら燃料電池を直列に配置し、小容量の燃料電池からの余剰の水素を燃焼させる燃焼器を設け、起動時に小容量電池のみを発電させ、大容量燃料電池からの空気と小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池の空気極側に導くように流路を切り換える制御手段を備えることを特徴とする。
【０００９】
【作用・効果】
したがって本発明において、低温始動時に水素を燃焼させることで水分を含む燃焼ガスを小容量燃料電池に供給するので、小容量燃料電池の暖機運転が効率よく行われ、この結果システムの起動時間が短縮できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を図１に示す。
【００１２】
本燃料電池システムはメイン燃料電池１０ａ（以下メインＦＣ）とサブ燃料電池１０ｂ（以下サブＦＣ）の二つの燃料電池を有し、メインＦＣ１０ａは車両の駆動モータ１１の要求負荷電力の発電用、サブＦＣ１０ｂは補機駆動要求負荷電力（エアコンプレッサー、ウォータポンプ、車両電気部品）発電用となっている。
【００１３】
この二つの燃料電池１０ａ、１０ｂの出力電圧は、メインＦＣ１０ａがサブＦＣ１０ｂよりも大きくなっており、それぞれ負荷に応じてその起動・停止が制御される。
【００１４】
メインＦＣ１０ａとサブＦＣ１０ｂは、カソードに供給される酸素とアノードに供給される水素とにより電気化学反応を行い、発電作用を生じる。このため、メインＦＣ１０ａの上流には、水素タンク３０から供給された水素ガスとエアコンプレッサー４０から供給された大気とを加湿する加湿器２７を配置し、またメインＦＣ１０ａとサブＦＣ１０ｂの間には燃焼器２０と熱交換器２１を配置する。
【００１５】
燃焼器２０は後述するように、低温時にサブＦＣ１０ｂから排出された余剰の水素ガスとメインＦＣ１０ａから排出された酸素ガスを混合して燃焼し、熱交換器２１は燃焼器２０から排出される燃焼排ガスとメインＦＣ１０ａからの水素ガス、並びに後述する加熱および冷却用の熱媒体（以下循環水）との間で熱交換を行う。
【００１６】
メインＦＣ１０ａ並びにサブＦＣ１０ｂの冷却ないし加熱を行う循環水の循環系には、加湿器２７に循環させる循環水を加熱する循環水加熱器５０と、同じく前記循環水を冷却するラジエータなどの循環水冷却装置２６とを循環水路中に並列に配置する。
【００１７】
この循環系をさらに詳しく説明すると、まず循環水流路５１はウォータポンプ２３、サブＦＣ１０ｂ、水流量調整バイパス弁２４（以下調整バイパス弁２４）、メインＦＣ１０ａ、加湿器２７、水流量調整バイパス弁２５（以下調整バイパス弁２５）を直列に接続し、調整バイパス弁２５の下流側には循環水加熱器５０、熱交換器２６を並列につないで、ウォータポンプ２３に戻る。
【００１８】
調整バイパス弁２４から分岐する分岐経路５２は燃焼器２０、熱交換器２１を経由して調整バイパス弁２５の上流で、加湿器２７からの配管に合流している。
【００１９】
次に燃料の供給系を説明すると、水素供給配管５３は水素タンク３０から加湿器２７を通って、メインＦＣ１０ａに接続する。メインＦＣ１０ａから出た水素を導く配管は流量調整弁３１で分岐し、一方は加湿器２７の上流に接続し、もう一方は熱交換器２１を経由してサブＦＣ１０ｂに接続する。サブＦＣ１０ｂから出た水素を導く配管は流量調整弁３２で分岐し、一方はサブＦＣ１０ｂの上流に接続し、もう一方は燃焼器２０に接続する。
【００２０】
また空気の供給系では、空気供給配管５４は、コンプレッサー４０から加湿器２７を通ってメインＦＣ１０ａに入る。メインＦＣ１０ａから出た空気を導く配管は、流量調整弁４１で燃焼器２０に接続するものとサブＦＣ１０ｂに接続するものに分岐する。燃焼器２０から出た配管は流量調整弁４２から、熱交換器２１に接続するものと排気口（図示せず）につながるものに分岐する。熱交換器２１に接続する配管はサブＦＣ１０ｂを経由して、排気口につながる。
【００２１】
本システムは以上のように構成され、図示しないが、コントローラによって各部の作動を自動的に制御するようになっている。ここで、まず上記システムの暖機後の通常運転時の制御を図４によって説明する。
【００２２】
空気はエアコンプレッサー４０によって加湿器２７に供給し、加湿した空気をメインＦＣ１０ａに供給する。水素ガスは、水素ガスタンク３０から加湿器２７に供給し、ここで加湿したものをメインＦＣ１０ａに供給する。
【００２３】
これらの供給により、メインＦＣ１０ａが発電を行う。メインＦＣ１０ａで発電に使用されなかった余剰の水素ガスは、流量調整弁３１でメインＦＣ１０ａを循環するものと熱交換器２１へ供給するものに分岐する。
【００２４】
熱交換器２１を通過した水素ガスはサブＦＣ１０ｂの発電に使用され、サブＦＣ１０ｂで発電に使用されなかった余剰の水素ガスは、流量調整弁３２によって、サブＦＣ１０ｂを循環する。
【００２５】
メインＦＣ１０ａで発電に使用しなかった余剰の空気は、流量調整弁４１を閉じることにより燃焼器２０に送らずに、メインＦＣ１０ａから直接サブＦＣ１０ｂに供給する。これにより、サブＦＣ１０ｂに供給される空気は燃焼器２０で加熱されないので、サブＦＣ１０ｂの過熱を防止することができる。サブＦＣ１０ｂで発電に使用されなかった余剰の空気はそのまま排ガスとして排気する。
【００２６】
循環水はウォータポンプ２３によってサブＦＣ１０ｂ、メインＦＣ１０ａ、加湿器２７を循環し、これらの冷却を行い、適正な運転温度の保持を行う。なお、循環水は熱交換器２６で放熱した後に、ウォータポンプ２３の吸い込み側へ流れる。
【００２７】
以上により、通常運転時にはメインＦＣ１０ａとサブＦＣ１０ｂとによる発電が行われるが、サブＦＣ１０ｂの発電に用いる空気を燃焼器２０、熱交換器２１で加熱しないので、サブＦＣ１０ｂの過熱を防げる。
【００２８】
次に本発明の低温始動時の制御について図２、３に示す。
【００２９】
燃料電池は、ある程度の温度まで暖まらないと通常の発電が行えないため、外気温、循環水温が低く、燃料電池も冷えた状態である低温始動時には、暖機を行う必要がある。
【００３０】
本発明では、まず小型のサブＦＣ１０ｂを起動し、水循環系でメインＦＣ１０ａを加熱、暖機させ、システム全体の起動時間を短縮させるようになっている。
【００３１】
図２に低温始動時にサブＦＣ１０ｂを起動する場合のシステムの状態を示す。実線で示した配管が実際に空気、水素ガス、循環水の流れる配管である。
【００３２】
この状態では加湿器２７、メインＦＣ１０ａは起動していないので、エアコンプレッサー４０から送られる空気と水素ガスタンク３０から送られる水素ガスは共に加湿器２７、メインＦＣ１０ａを通過するだけである。メインＦＣ１０ａを通過した空気は、流量調整弁４１によって全量が燃焼器２０に送られ、温度が低い状態のまま、水素ガスと混合されて燃焼する。ここで使われる水素ガスはサブＦＣ１０ｂで発電に使用されなかった余剰の水素ガスが、流量調整弁３２によって燃焼器２０に送られたものである。
【００３３】
メインＦＣ１０ａを通過した水素ガスは熱交換器２１へ送られ、燃焼器２０の熱で加熱された循環水によって暖められて、サブＦＣ１０ｂに送られ、ここで前記燃焼器２０を経由した空気と共に発電に使用される。
【００３４】
循環水は本燃料電池システムが低温時にはシステムを加熱する役割を持つ。すなわち循環水加熱器５０で暖められウォータポンプ２３からサブＦＣ１０ｂに送られた循環水は流量調整弁２４によって全量が燃焼器２０に送られる。
【００３５】
燃焼器２０で加熱された循環水は熱交換器２１に送られ、水素供給配管を流れる水素ガスをサブＦＣ１０ｂの要求温度まで加熱する。また一方で、熱交換器２１では、循環水によって燃焼器２０から出された高温空気の冷却も行う。
【００３６】
燃焼器２０で水素と混合して燃焼した空気中には燃焼に伴って発生した水分が含まれ、この水分を含んだ空気が熱交換器２１で冷却後にサブＦＣ１０ｂに送り込まれる。このため、サブＦＣ１０ｂでは熱交換器２１からの水素と加湿空気が反応して発電を行う。なお、燃焼器２０では酸素過剰状態で燃焼させるので、排ガス中にはサブＦＣ１０ｂの発電に必要な量の余剰の酸素が含まれている。
【００３７】
熱交換器２１を出た循環水は流量調整弁２５によって全量が循環水加熱器５０に送られ、再びウォータポンプ２３に戻る。前記循環水加熱器（電気ヒータを含む）５０は、サブＦＣ１０ｂで発電された電力を使用して作動する。
【００３８】
このようにして、低温時の始動において、空気は燃焼器２０で水素を燃焼することによって発生した水分で加湿された後、熱交換器２１によって適温にされてサブＦＣ１０ｂに供給され、また水素ガスは熱交換器２１で加熱されサブＦＣ１０ｂに供給され、これらにより低温時におけるサブＦＣ１０ｂの暖機運転が効率よく行われ、その起動時間が短縮できる。
【００３９】
図３に、サブＦＣ１０ｂの暖機が終了した後、メインＦＣ１０ａを起動する時の制御を示す。
【００４０】
空気、水素ガスに関してはサブＦＣ１０ｂ起動時の状態のままであるが、循環水は調整バイパス弁２４の制御により、メインＦＣ１０ａ、加湿器２７にも流れるようにする。
【００４１】
メインＦＣ１０ａは、暖められた循環水による加熱により、暖機運転を開始すると同時に、発電も開始する。
【００４２】
すなわち、水素ガスタンク３０からの水素ガスとエアコンプレッサー４０からの空気中の酸素とが加湿器２７において加湿され、これらがメインＦＣ１０ａで反応して発電が行われるのである。なお、余剰の水素は熱交換器２１を経由してサブＦＣ１０ｂに供給され、また排空気も燃焼器２０から熱交換器２１を経てサブＦＣ１０ｂに供給されサブＦＣ１０ｂの運転を継続する。
【００４３】
このようにサブＦＣ１０ｂの暖機が終了した後は、サブＦＣ１０ｂを通過して暖められた循環水をメインＦＣ１０ａに流し、メインＦＣ１０ａの加熱に用いる。　　　　　　　　これによりメインＦＣ１０ａの暖機時間も短縮でき、システム全体の起動時間が短縮されることになる。
【００４４】
以上のことより、本実施形態は以下の効果を有する。
▲１▼低温始動時のサブＦＣ１０ｂの発電に用いる水素と空気を、燃焼器２０、熱交換器２１を用いることによって効率的に加湿、加熱することができ、サブＦＣ
１０ｂの暖機運転が効率的に行われる。
▲２▼先に始動させるサブＦＣ１０ｂの容量は小さいので、暖機時間が短い。
▲３▼サブＦＣ１０ｂの暖機運転終了後、サブＦＣ１０ｂを通過して暖められた循環水によってメインＦＣ１０ａが加熱されるので、メインＦＣ１０ａの暖機運転
時間が短縮できる。
▲４▼メインＦＣ１０ａ、サブＦＣ１０ｂともに効率的な暖機運転が行えるので、シ
ステム全体の起動時間を短縮できる。
【００４５】
次に図５によって本システムのアイドル時の運転状態を説明する。
【００４６】
アイドル時とは、車両の駆動力としての電力を必要としない状態、即ち、車両が停止している状態、下り坂を走行している状態、車両駆動用バッテリーの残量が十分にある状態などである。アイドル時には駆動モータからメインＦＣ１０ａに要求される電力はゼロであるため、メインＦＣ１０ａの発電は停止する。また、流量調整弁３１はメインＦＣ１０ａから出た水素ガスをサブＦＣ１０ｂに流し、調整バイパス弁４１により燃焼器２０、熱交換器２１を通過させずにサブＦＣ１０ｂに直接空気を流すように制御する。
【００４７】
本システムでは、サブＦＣ１０ｂの発電に使用する空気、水素ガスはメインＦＣ１０ａを通過してサブＦＣ１０ｂに供給する構造になっているため、アイドル状態が解除され、メインＦＣ１０ａが再起動する際には、メインＦＣ１０ａ内に空気と水素ガスが充満している。したがって、メインＦＣ１０ａは短時間で発電を再開できる。また、メインＦＣ１０ａが停止して発熱していない時でも、循環水はメインＦＣ１０ａとサブＦＣ１０ｂを直列に循環するように調整バイパス弁２４を制御するので、サブＦＣ１０ｂの発熱によって暖められた循環水でメインＦＣ１０ａを保温することになる。これにより、メインＦＣ１０ａが長時間アイドル状態となっていても、短時間でメインＦＣ１０ａの再発電が可能である。
【００４８】
以上のように、本システムではアイドル時もメインＦＣ１０ａ内に水素、空気が充満しているので、アイドル状態が解除された時に短時間でメインＦＣ１０ａを再起動できる。
【００４９】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のシステム構成図。
【図２】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のサブＦＣ起動時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図３】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のメインＦＣ起動時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図４】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置の、通常運転時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図５】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置の、アイドル運転時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【符号の説明】
１０ａ　メインＦＣ（第一の燃料電池）
１０ｂ　サブＦＣ（第二の燃料電池）
１１　　駆動モータ
１２　　車両補機
２０　　燃焼器
２１　　熱交換器
２３　　ウォーターポンプ
２６　　熱交換器
２７　　加湿器
３０　　水素ガスタンク
４０　　エアコンプレッサー
５０　　循環水加熱器
２４、２５　　水流量調整弁
３１，３２　　水素ガス流量調整弁
４１，４２　　空気流量調整弁

Claims

大小異なる容量の複数の燃料電池を備えた燃料電池発電装置において、
前記大容量燃料電池から小容量燃料電池へと水素と空気が流れるようにこれら燃料電池を直列に配置し、
小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼させる燃焼器を設け、
起動時に小容量燃料電池のみを発電させ、大容量燃料電池からの空気と小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池の空気極側に導くように流路を切り換える制御手段を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
前記小容量燃料電池と大容量燃料電池との冷却ないし加熱を行う熱媒体の循環系を設け、前記燃焼器からの燃焼ガスで前記熱媒体を加熱する熱交換器を備え、前記制御手段は、起動時に加熱された熱媒体を小容量燃料電池に循環させて暖機をおこなうようにする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
前記循環系には電力により熱媒体を加熱する加熱器を備え、前記制御手段は、この加熱器に小容量燃料電池の発電により生じた電力を供給するように制御する請求項２に記載の燃料電池発電装置。
前記熱交換器は、前記大容量燃料電池から小容量燃料電池へ送られる水素をも加熱するように構成されている請求項２に記載の燃料電池発電装置。
前記制御手段は、前記小容量燃料電池の暖機が終了したら、前記熱媒体を小容量電池から大容量燃料電池へと循環させ、大容量燃料電池の発電を開始するようにする請求項２〜４のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。
前記制御手段は、起動終了後は大容量燃料電池からの空気を前記燃焼器を迂回して直接小容量燃料電池に送り込むようにする請求項１〜５のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。
前記大容量燃料電池は車両駆動モータの要求負荷に、小容量燃料電池は車両補記の要求負荷にそれぞれ対応して容量を設定する請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。