JP2004234863A

JP2004234863A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004234863A
Application number: JP2003018221A
Authority: JP
Inventors: Akira Matsunaga; 亮松永
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】燃料電池本体を通常冷却水が流れている配管に圧縮空気を導入せず、冷却水を解凍した後に燃料電池を温めることになってしまわず、燃料電池システムの起動にあまり時間がかからない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池を搭載し、燃料電池から排出された未反応ガスを燃焼させる燃焼装置を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池を収めるスタックケースと、燃料電池から排出された空気の排気配管を覆う配管ケースは、スタックケースと配管ケースが一体形成且つケース内が同一空間であり、燃焼装置で燃焼した未反応ガス、すなわち燃焼排気ガスを、配管ケースに送り、スタックケースに流す構成とした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に氷点下時の燃料電池システム起動に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来の氷点下時の燃料電池システム起動として、圧縮空気及び燃焼排ガスによって燃料電池システム全体を暖め、また燃料電池本体は通常燃料電池を冷却している配管に圧縮空気を導入して暖めている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２５１９１５号公報（第３−５頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、燃料電池本体を通常冷却水が流れている配管に圧縮空気を導入しているため、冷却水を解凍した後に燃料電池を温めることなり、燃料電池システムの起動には時間がかかる。
【０００５】
【課題を解決しようとするための手段】
上記の課題を解決するため本発明は、燃料電池を搭載し、燃料電池から排出された未反応ガスを燃焼させる燃焼装置を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池を収めるスタックケースと、燃料電池から排出された空気の排気配管を覆う配管ケースは、スタックケースと配管ケースが一体形成且つケース内が同一空間であり、燃焼装置で燃焼した未反応ガス、すなわち燃焼排気ガスを、配管ケースに送り、スタックケースに流す構成とする。
【０００６】
【発明の効果】
本発明は、燃料電池の発熱による昇温効果の少ない燃料電池出口側の空気が流れる排気配管から優先的に暖められるので、発電開始時の燃料電池出口側の空気が流れる排気配管での凍結を防ぎ、発電可能な最大負荷を大きくすることを可能にすることで、燃料電池車の起動時間を短縮する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係わる燃料電池システムの実施形態を、図１〜６を用いて説明する。
（第一実施形態）
本発明に係わる第一実施形態を、図１，２，３を用いて説明する。
図１は構成、図２はスタックケース２内断面を上面から見た詳しい構造、図３は時間とセル電圧の関係である。
【０００８】
まず、第一実施形態の構成は、図１に示すように、複数積層した単セル１６を備える燃料電池１、スタックケース２、配管ケース３、燃料ガス熱交換器４、空気熱交換器５、クーラントタンク６、クーラントポンプ７、バルブ８、燃焼装置９、クーラント熱交換器１０、燃料ガス排気配管１１、排気配管１２、クーラント循環路１３、燃焼排気ガス配管Ａ１４、燃焼排気ガス配管Ｂ２２、空気供給配管２５、燃料ガス供給配管２５から構成されている。
【０００９】
燃料電池１を収めるスタックケース２と、燃料電池１から排出される空気が流れる排気配管１２を覆う配管ケース３が一体形成しており、スタックケース２と配管ケース３のケ−ス内が同一空間で構成されている。
【００１０】
燃料電池１は、燃料ガス排気配管１１、排気配管１２、クーラント循環路１３、燃料ガス供給配管２４、空気供給配管２５が接続されている。
燃料ガス供給配管２４は、燃料ガス熱交換器４を通過し、燃料電池１に接続されている。
【００１１】
空気供給配管２５は、空気熱交換器５を通過し、燃料電池１に接続されている。
燃料ガス排気配管１１は、燃料電池１と配管ケース３内の排気配管１２を結ぶ。
排気配管１２は、燃料電池１と燃焼装置９を結ぶ。また、排気配管１２は配管ケース３で覆われており、配管ケース３内で燃料ガス排気配管１１が接続されている。
【００１２】
燃焼排気ガス配管Ａ１４は、燃焼装置９及びクーラント熱交換器１０と配管ケース３をつないでいる。
燃焼排気ガス配管Ｂ２２は、スタックケース２から外部に伸びている。
クーラント循環路１３は、燃料ガス熱交換器４、空気熱交換器５、燃焼装置９と隣接しているクーラント熱交換器１０、クーラントポンプ７、クーラントタンク６、バルブ８、燃料電池１で構成する。
【００１３】
図２に示すように、スタックケースはケース１５により二重構造になっており、ケース１５内壁には電気絶縁作用を持つか若しくは燃料電池１と内壁の間に電気絶縁層を形成している。
【００１４】
また、燃料電池１には燃料ガス供給入口、クーラント入口、燃料ガス出口が取付けられ、対称側には空気供給入口、クーラント出口、空気出口が取付けられている。
また、配管ケース３には配管ケース３及びスタックケース２内を燃焼排気ガスが通過するための入口と、スタックケース２にはその出口が取付けられている。
【００１５】
次に、第一実施形態の作用について説明する。
空気は空気熱交換器５で、また、燃料ガスは燃料ガス熱交換器４で夫々クーラントと熱交換をし、燃料電池１を通過する。燃料電池１を通過後、燃料ガスは燃料電池１を通過した空気と合流し、混合ガスとなる。
【００１６】
混合ガスは燃焼装置９で燃焼され、クーラント熱交換器１０でクーラントと熱交換をし、クーラントを昇温する。その後、燃焼排気ガスは燃焼排気ガス配管Ａ１４で配管ケース３に送られ、スタックケース２の外壁と内壁１５の間を通過して燃焼排気ガス配管Ｂ２２で外部に放出される。
以上のように、燃焼排気ガスを流すことにより、燃料電池システムの解凍を行う。
【００１７】
一方、クーラントは、二通りのクーラント循環路１３を備える。一つは、クーラントをクーラントタンク６からクーラントポンプ７で循環させ、クーラント熱交換器１０で燃焼排気ガスと熱交換をしてクーラントを暖め、暖められたクーラントで空気熱交換器５、燃料ガス熱交換器４によって空気及び燃料ガスを暖める。
【００１８】
もう一つは、クーラントをクーラントタンク６からクーラントポンプ７で循環させ、クーラント熱交換器１０でクーラントを暖め、暖められたクーラントで燃料電池１を暖める。
【００１９】
また、一つ目の循環路と二つ目の循環路は、クーラントがクーラント熱交換器１０を通過後、二つに分岐して、クーラントタンク６手前で合流する並列接続構造になっている。
【００２０】
このように第一実施形態では、
燃料電池１発電前に配管ケース３からスタックケース２へと、燃焼排気ガスを送ることで、燃料電池１の発熱による昇温効果の少ない配管ケース３側から優先的に暖められるので、燃料電池１発電開始時、燃料電池１の空気出口側での水の凍結を防ぐ。
【００２１】
また、配管ケース３のスタックケース２との接続面に平行な断面積が、スタックケース２の配管ケース３との接続面に平行な断面積よりも小さいので、配管ケース３では排気配管１２を効率的に暖めることができる。
【００２２】
しかしながら、本実施形態では燃料電池１をスタックケース２内に収納し、スタックケース２全体が水の凍結温度以上にすることにより、外部に対して断熱層として機能し、内部の熱が外部に逃げるのを防ぎ、燃料電池１の発熱を、燃料電池１の昇温により有効に使用することができる。
【００２３】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池の反応ガス出口側で生成水が凍結することにより、図３の時間とセル電圧の関係に示す従来例Ｂのように時間の経過と共にセル電圧が不安定になった。
【００２４】
しかしながら、本実施形態では燃料電池１の空気出口側での生成水が凍結することがないため、図３に示す本実施形態Ａのようにセル電圧を安定させることができる。
【００２５】
また、スタックケース２を二重構造にすることで、燃料電池１から漏れた水素が、スタックケース２内に流入する燃焼排気ガスと混合することないので、スタックケース２内で化学反応による水の発生を抑制することができる。
【００２６】
（第二実施形態）
本発明に係わる第二実施形態を、図４，５，６を用いて説明する。
図４は構成図、図５は時間と燃料電池１が発電可能な最大出力の関係及び時間と燃料電池１温度の関係、図６はシステムフローチャートである。
【００２７】
まず、第二実施形態の構成は、図４に示すように第一実施形態とほぼ同じである。異なる点は、温度測定手段Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３、燃焼排気ガス用切替バルブ１６，１７、燃焼排気ガス配管Ｃ２３を持つ点である。
【００２８】
温度測定手段Ｔ１は、スタックケース２と配管ケース３の接続部内部の燃料電池１から排出される排気配管１２の表面温度を測定する。
温度測定手段Ｔ２は、燃焼装置９入口の空気と燃料ガスが混合したガスの温度を測定する。
温度測定手段Ｔ３は、燃焼装置９出口の燃焼排気ガスの温度を測定する。
【００２９】
燃焼排気ガス配管Ｃ２３は、燃焼排気ガス配管Ｂ２２につながれている。
燃焼排気ガス用切替バルブ１６は、燃焼排気ガスの流れが燃焼排気ガス配管Ｃ２３との接続地点より上流の燃焼排気ガス配管Ｂ２２に取付ける。
燃焼排気ガス切替バルブ１７は、燃焼排気ガス配管Ａ１４の途中に取付けられ、燃焼排気ガス配管Ｃ２３を取付ける。
【００３０】
次に、第二実施形態の作用について説明する。
第一実施形態とほぼ同じである。
また、システムフローチャートについて図６で説明する。このシステムフローチャートは車両起動から設定時間毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返し実行される。
【００３１】
ステップ１では、フラグＦが１かどうか判断する。フラグＦが１である場合、ステップ２３に進む。
ステップ２では、起動しているか判断する。起動している場合、ステップ７に進む。
【００３２】
ステップ３では、起動する。
ステップ４では、燃料電池１に空気を導入する。
ステップ５では、燃料電池１に燃料ガスを導入する。
【００３３】
ステップ６では、燃焼装置９の燃焼を開始する。
ステップ７では、燃焼排気ガス温度が温度測定手段Ｔ３で０℃以上か判断する。温度測定手段Ｔ１での測定温度が０℃より高い場合、ステップ９に進む。
【００３４】
ステップ８では、空気と燃料ガスの量を調節して、ステップ２３に進む。
ステップ９では、フラグＦ２が１であるか判断する。Ｆ２＝１の場合、ステップ１３に進む。
ステップ１０では、クーラントの循環を開始する。
【００３５】
ステップ１１では、燃焼排気ガスがスタックケース２内に導入するように、燃焼排気用切替バルブ１６を開き、燃焼排気用切替バルブ１７を燃焼排気ガス配管Ａ１４に流れるようにする。
【００３６】
ステップ１２では、フラグＦ２を１にする。ステップ１４に進む。
ステップ１３では、燃焼排気ガス温度を調節する。
ステップ１４では、スタックケース２と配管ケース３との接続部内部の配管表面温度が０℃以上であるか温度測定手段Ｔ１で判断する。温度測定手段Ｔ１での測定温度が０℃以下の場合、ステップ２３に進む。
【００３７】
ステップ１５では、フラグＦ３が１であるか判断する。Ｆ３＝１の場合、ステップ１８に進む。
ステップ１６では、燃料電池１の発電を開始する。
ステップ１７では、フラグＦ３を１にする。ステップ１９に進む。
【００３８】
ステップ１８では、燃料電池１発電負荷を調節する。
ステップ１９では、混合ガス温度が０℃以上か温度測定手段Ｔ２で判断する。温度測定手段Ｔ２での測定温度が０℃以下の場合、ステップ２３に進む。
ステップ２０では、燃焼装置９の燃焼を停止させる。
【００３９】
ステップ２１では、燃焼排気ガスをスタックケース２に通さず直接外部に排気するため、燃焼排気ガス用切替バルブ１６を閉じ、燃焼排気ガス用切替バルブ１７を燃焼排気ガス配管Ｃ２３に流れるようにする。
ステップ２２では、フラグＦ１を１にする。
ステップ２３では、この制御フローを終了させる。
【００４０】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池に通常冷却水を流す配管に圧縮空気を流し暖めていたため、燃料電池の反応ガス出口側での凍結により燃料電池の発電可能な最大負荷を大きくとることができない。そのため、図５のＢ及びＺに示すように、スタック内部の温度が上がらず、燃料電池システムを起動するのに時間がかかった。
【００４１】
このように第二実施形態では、第一実施形態の効果に加え、
燃焼装置９から排出される燃焼排気ガスの温度を測定し、０℃以上で配管ケース３及びスタックケース２へ燃焼排気ガスを送るので、燃焼排気ガス配管Ａ１４、配管ケース３及びスタックケース２内の再凍結を防止できる。
【００４２】
スタックケース２と配管ケース３の接続部内部の燃料電池１から排出される排気配管１２の表面温度が０℃以上になってから、燃料電池１の発電の開始するので、少なくとも燃料電池１の排出側で凍結をしておらず、燃料電池１内で燃料ガス及び空気が少なくとも燃料電池１の排出側で滞留しない。そのため、燃料電池１では効率的に燃料ガス及び空気の供給が行われ、燃料電池１内に燃料ガス及び空気が滞留せず、燃料電池１での効率的な発電が可能となる。したがって、図５のＡに示すように燃料電池１が０℃以下であっても、配管ケース３内の配管から燃焼装置９入口付近にかけてはまだ凍結している可能性があり、最大負荷運転は行えないが、少なくとも燃料電池１の排出側で凍結をしていないので、図５のＢに示す従来の燃料電池システムより高負荷で発電が可能である。そのため、燃料電池１の内部温度を従来よりも早く昇温することができる。また、燃料電池１を適切なときに発電を開始できるので、無駄な燃料ガスの消費を防止できる。
【００４３】
燃焼装置９入口の温度、すなわち燃料電池１から燃焼装置９までの配管で温度が一番遅く上がる場所が０℃以上になることで、燃焼装置９を停止しても燃料電池１下流から燃焼装置９までは凍結しておらず、燃焼排気ガスをスタックケース２に通さず直接外部に放出するので、燃料電池１下流の圧力損失が少なくなる。そのため、図示しないコンプレッサーの圧縮比の制限、燃料電池１の運転圧力の制限などをかけることなく、最大負荷までまわせるだけの燃料ガス及び空気を流すことができる。また、発電可能な最大負荷を大きくとることができるので、燃料電池１内部温度を従来よりも早く昇温することができる。また、燃焼装置９停止後、燃焼排気ガスをスタックケース２に通さず直接外部に放出するので、燃料電池１から燃焼装置９までの配管の再凍結を防止できる。そして、燃焼排気ガスを適切なときに外部に放出できるので、必要以上に暖めずに燃料電池１の最大負荷をとることができるので、燃料電池システムを従来よりも早く起動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる第一実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明に係わる第一実施形態及び第二実施形態のスタックケースを上面から見た断面図である。
【図３】本発明に係わる第一実施形態の効果である。
【図４】本発明に係わる第二実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図５】本発明に係わる第二実施形態の効果である。
【図６】本発明に係わる第二実施形態のシステムフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池
２スタックケース
３配管ケース
４燃料ガス熱交換器
５空気熱交換器
６クーラントタンク
７クーラントポンプ
８バルブ
９燃焼装置
１０クーラント熱交換器
１１燃料ガス排気配管
１２排気配管
１３クーラント循環路
１４燃焼排気ガス配管Ａ
１５ケース
１６燃焼排気用切替バルブ
１７燃焼排気用切替バルブ
２１単セル
２２燃焼排気ガス配管Ｂ
２３燃焼排気ガス配管Ｃ
２４燃料ガス導入配管
２５空気導入配管
Ｔ１温度測定手段
Ｔ２温度測定手段
Ｔ３温度測定手段
Ａ本発明の効果
Ｂ従来例
Ｘ本発明の低温からの起動時間
Ｚ従来の低温からの起動時間

Claims

燃料電池を搭載し、燃料電池から排出された未反応ガスを燃焼させる燃焼装置を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池を収めるスタックケースと、前記燃料電池から排出された空気の排気配管を覆う配管ケースは、前記スタックケースと前記配管ケースが一体形成且つケース内が同一空間であり、燃焼装置で燃焼した未反応ガス、すなわち燃焼排気ガスを、前記配管ケースに送り、スタックケースに流すことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１の燃料電池システムにおいて、前記配管ケースの前記スタックケースとの接続面に平行な断面積が、前記スタックケースの前記配管ケースとの接続面に平行な断面積よりも小さいことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１の燃料電池システムにおいて、前記燃焼装置から排出される燃焼排気ガスの温度を測定することを特徴とする燃料電池システム。
請求項３の燃料電池システムにおいて、前記燃焼排気ガスの温度が設定温度以上で前記配管ケースおよび前記スタックケースに前記燃焼排気ガスを送ることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池出口側の前記排気配管の表面温度を測定することを特徴とする燃料電池システム。
請求項５の燃料電池システムにおいて、前記排気配管の表面温度が設定温度以上で前記燃料電池の発電を開始することを特徴とした燃料電池システム。
請求項１の燃料電池システムにおいて、前記燃焼装置入口の前記燃料電池から排出された空気と未反応ガスが混合した混合ガスの温度を測定することを特徴とする燃料電池システム。
請求項７の燃料電池システムにおいて、前記混合ガスの温度が設定温度以上で前記配管ケースおよび前記スタックケースへの前記燃焼排気ガスの流入を停止することを特徴とした燃料電池システム。
請求項７の燃料電池システムにおいて、前記混合ガスの温度が前記設定温度以上で前記燃焼排ガスを前記スタックケースに通さず、外部へ放出する手段を備えた燃料電池システム。
請求項４又は請求項６又は請求項８又は請求項９の燃料電池システムにおいて、前記設定温度を水の凍結温度とすることを特徴とする燃料電池システム。