JP2005129342A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 専用の冷却システムを設けることなく、２次電池を冷却することを課題とする。
【解決手段】 水素を燃料として発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に供給される水素を高圧圧縮して貯蔵する水素タンク４と、燃料電池スタック１で得られた電力を補完する電力が蓄電される２次電池２とを備え、２次電池２は、水素タンク４の胴部の外周面に接触して設置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素の供給により発電を行う燃料電池と蓄電用の２次電池とを備えた燃料電池システムに関するものである。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び空気を電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の車両用電源としての用途が期待されている。

ただし、燃料電池や燃料電池を含む発電システムでは、暖機が完了していない状態では安定した発電ができないため、補助電源として２次電池を設け、この２次電池によって例えば電気ヒータを作動させることで、燃料電池や燃料電池を含む発電システムの暖機を促進することが検討されている。

ところで、補助電源として用いられる２次電池においては、充放電時に生じる電極での化学反応や充放電電流を流す正負極端子等での電気抵抗による発熱によって温度は上昇する。この温度上昇が大きくなりすぎると、電池寿命が短くなったり、電池が損傷する虞れが生ずる。特に、リチウムイオン電池の場合には、電解質に有機溶媒を用いると共に、負極活物質にも炭素等を用いるので、何らかの原因により電池が異常な高温になって損傷する可能性がある。

そこで、この対策として、電池筐体の内部、あるいは表面へ冷媒を接触させることにより、電池を冷却する構造が種々提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献５等を参照）。
特開２００１−６０４６６号公報 特開２００１−３１９６９７号公報 特開２００２−３５２８６３号公報 特開２００２−２１６８６０号公報 特開２００３−１７１３１号公報

しかしながら、上記特許文献に記載される技術では、冷媒を電池表面へ接触させたり、あるいは内部を通して電池を冷却する構成になっているために、ポンプやファン、熱交換器、配管や冷却を制御するコントロールユニット等、専用の冷却システムを設置する必要があった。このため、部品点数の増加によるコストの増加を招き、さらにはスペース効率が悪化するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、専用の冷却システムを設けることなく、２次電池の冷却を可能とする燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、水素を燃料として発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される水素を高圧圧縮して貯蔵する水素タンクと、前記燃料電池で発電されて得られた電力を補完する電力が蓄電される２次電池とを有する燃料電池システムにおいて、前記２次電池は、前記水素タンクの外周面に接触して設置されていることを特徴とする。

本発明によれば、２次電池を水素タンクの外周面に設置するようにしたので、水素タンクから高圧圧縮された水素が燃料電池に供給される際に、水素タンク内の水素の断熱膨張により水素タンク内の温度が低下し、この温度低下により２次電池を冷却することができる。これにより、２次電池を冷却する冷却手段が不要となり、構成の小型化を図ることができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システム、ならびに以下に説明する各実施例の燃料電池システムは、車両に搭載されて、車両駆動源である駆動モータへの電力供給に用いられるものであり、燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に燃料である水素を供給する水素供給系、酸化剤である空気を供給する空気供給系、補助電源である２次電池２、燃料電池スタック１及び２次電池２からの電力取り出しを制御するコントローラ３を備えている。

なお、以下に説明する各実施例において、燃料電池スタック１に供給される水素を充填して貯蔵する高圧圧縮の水素タンク４は、説明を容易にするために、１本とし、両端部に開口部を有し、円管引き抜き工法で製造されたものとするが、水素タンク４の数や製造工法はこれに限るものではない。

燃料電池スタック１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

水素供給系は、例えば、水素供給装置である水素タンク４、排出弁５、調圧装置である水素調圧弁６、水素供給配管７、及び水素排気配管８を有している。そして、水素タンク４から供給される水素が、水素調圧弁６で減圧され、水素供給配管７を通って燃料電池スタック１の燃料極に送り込まれるようになっている。また、燃料電池スタック１からの排水素は、水素排気配管８を介して排出されるが、この排水素を例えばエゼクタ等によって循環させて、新たに水素タンク４から供給される水素と混合して再び燃料電池スタック１の燃料極に供給するようにしてもよい。

また、空気供給手段は、外気を吸入し燃料電池スタック１の空気極に空気を圧送するためのコンプレッサ９、空気供給配管１０、及び空気極排ガスを排出するための空気排気配管１１を有している。そして、コンプレッサ９の駆動によって外気が加圧された状態で取り込まれ、空気供給配管１０を通って燃料電池スタック１の空気極に送り込まれるようになっている。また、燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気配管１１から大気中に排出される。

前述の水素供給系及び空気供給系においては、水素供給配管７及び空気供給配管１０の燃料電池スタック１の入口直前位置に熱交換器１２が設置されており、水素や空気がこの熱交換器１２において最適温度に温度調節された上で、燃料電池スタック１に供給されるようになっている。熱交換器１２には、温度調節用の冷媒が循環される循環経路１３が接続され、この循環経路１３には、冷媒を循環するための循環ポンプ１４、及び冷媒を冷却するラジエータ１５が設けられている。そして、燃料電池スタック１の入口直前にて温度センサ１６，１７により燃料電池スタック１に供給される水素や空気の温度が検出され、その検出値に応じてコントローラ３によって循環ポンプ１４やラジエータ１５のファンが動作制御されることで、水素や空気が最適温度に温度調節されるようになっている。

２次電池２は、板状でフレキシブルな積層型のラミネート電池で構成され、例えば正極板と負極板とがセパレータを介して順次積層された発電要素を金属複合フィルムよりなる電池外装にて密封してなる積層型電池が用いられ、後述するように水素タンク４の胴部の外周面に接触して設置されている。２次電池２は、水素タンク４の外周面に接することで、水素タンク４との間で熱交換が行われる。

上記燃料電池システムが搭載される車両は、図１に示すように、駆動モータインバータ１８及び駆動モータ１９を備えており、燃料電池スタック１で発電された電力は、その一部が補機２１で消費され、残りが駆動モータインバータ１８から駆動モータ１９に供給され、駆動モータ１９により燃料電池車両の駆動輪２２が駆動される。

また、燃料電池スタック１で発電された電力のうち、補機（負荷）２１や駆動モータ１９で消費されなかった余剰の電力は、２次電池２に蓄電される。さらに、車両の減速によって回生電力が生じたときには、この回生電力の一部が補機２１により消費され、余剰の電力は駆動モータインバータ１８から２次電池２へ回収されて蓄電される。

一方、燃料電池スタック１の発電力が足りないときには、２次電池２に蓄電された電力が、燃料電池スタック１の発電量の不足分をアシストするアシスト電源として、補機２１あるいは駆動モータインバータ１８に供給される。このとき、２次電池２からの出力電圧、電流値は、電圧・電流計２０によって計測されるようになっており、この計測値に基づいてコントローラ３が２次電池２のＳＯＣ（残充電量）を判断し、これを監視するようにしている。そして、このような２次電池２の残充電量や燃料電池スタック１の発電状態、駆動モータ１９や補機２１に要求される電力等に応じて、コントローラ３が、燃料電池スタック１や２次電池２からの電力の取り出しを制御するようにしている。

このような燃料電池車両において、例えば加速時等には、燃料電池スタック１の発電力が供給不足になり、２次電池２が不足電力分をアシストして放電する。燃料電池車両が加速した際のシステムの様子を表す図２に示すように、このときに生じる電極での化学反応や放電電流を流す正負極端子等での電気抵抗により、２次電池２は発熱し、２次電池２の温度は上昇する。この温度上昇が大きくなりすぎると、電池寿命が短くなったり、電池が損傷する虞れが生ずるため、これを冷却する必要がある。

そこで、この実施例１では、図３に示すように、水素タンク４の胴部の外周面に上述した積層型のラミネート電池で構成された２次電池２を接触させて設置することで、２次電池２の発熱に関する不具合を解決するようにしている。

図３は本発明の実施例１における、２次電池２の設置例を示す図であり、同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）の側面の断面図である。

実施例１ならびに以下に説明する各実施例の水素タンク４は、図４に示すように、芯材（ライナー部）４１と芯材４１に巻き付けられた外周補強材４２との間の両肩部４３に、水素タンク４を搬送する際の衝撃を緩和するための緩衝材４４が設けられている。このため、水素タンク４の両肩部４３の表面は、水素タンク４の内部との間で熱が伝わり難くなる。したがって、水素タンク４の胴部の外周面は、水素タンク４の両肩部４３の外周面に比べて、水素タンク４の内部との間で熱の授受を効率的に行うことができる。このような特性を考慮して、本発明では、２次電池２を水素タンク４の胴部の外周面に接触させて設置するようにしている。

図３に戻って、２次電池２を構成する上述したラミネート電池は、高電圧、大電流で大きなサイズの製造は難しくコストも高くなっているのが現状である。そこで、この実施例１では、図３に示すように、小型でブロック状のラミネート電池３１を複数個組み合わせ、水素タンク４の胴部の外周面に沿って接着剤等により貼り付けて設置している。貼り付けられた複数のラミネート電池３１は、ハーネス３２の電気配線により電気的に接続されている。複数のラミネート電池３１は、ハーネス３２により直列接続もしくは並列接続が選択され、所望の電圧、電流を取り出し容量も確保することができる。なお、図３では直列接続の一例を示している。

水素タンク４は、図３ではバンド３３を使用して燃料電池車両等に固定保持する例を示しているが、図５に示すように、水素タンク４の両端の開口部に設置される容器元栓等を含むエンドプラグ部５１にブラケット５２を取り付け、このブラケット５２を燃料電池車両等に取り付けることで、水素タンク４を固定保持するようにしてもよく、水素タンク４を固定保持する手段に制限を与えるものではない。

このような実施例１においては、２次電池２は、水素タンク４の内部から水素が燃料電池スタック１へ供給されるときに生じる水素タンク４の内部における水素の断熱膨張により温度が低下した水素と直接接触して吸熱された水素タンク４と広範囲で接触することができる。これにより、２次電池２を冷却する特別な冷却装置を必要とせず、燃料電池システムが成立すると共に、２次電池２を効率的に冷却することが可能となる。この結果、従来のように、冷媒を電池表面へ当てる、あるいは電池を冷却するためのポンプやファン、熱交換器、配管等の冷却に必要な構成が不要となり、部品点数が少ない、冷却効率、コストおよびスペース効率が良い燃料電池システムを提供することができる。

図６は本発明の実施例２における、２次電池２の設置例を示す図であり、同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）の側面の断面図である。

図６において、この実施例２の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、２次電池２を帯状のラミネート電池６１で構成し、この帯状のラミネート電池６１を複数組み合わせ、水素タンク４の胴部の外周面に沿って接着剤等により貼り付けて設置したことにあり、他は先の実施例１と同様である。

このような実施例２では、先の実施例１と同様の効果が得られるとともに、先の実施例１に比べて、複数のラミネート電池６１間を電気的に接続するハーネス３２を低減することが可能となり、さらにラミネート電池６１を水素タンク４に貼り付ける作業工数も削減することができる。

図７は本発明の実施例３における、２次電池２の設置例を示す図であり、同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）の側面の断面図である。

図７において、この実施例３の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、２次電池２を板状のラミネート電池７１で構成し、この板状のラミネート電池７１を水素タンク４の胴部の外周面に沿って接着剤等により貼り付けて設置したことにあり、他は先の実施例１と同様である。

このような実施例３では、先の実施例１と同様の効果が得られるとともに、先の実施例２に比べて、ラミネート電池７１に接続するハーネス３２を低減することが可能となる。

図８は本発明の実施例４における、２次電池２の設置例を示す図であり、同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）の側面の断面図である。

図８において、この実施例４の特徴とするところは、先の実施例３に比べて、水素タンク４に貼り付けられた板状のラミネート電池７１の表面に、放熱フィン（冷却フィン）８１を取り付け、図５に示すように、水素タンク４をブラケット５２で固定保持するようにしたことにあり、他は先の実施例３と同様である。なお、水素タンク４は、図７に示すようにバンド３３で固定保持するようにしてもよい。

先の実施例１〜実施例３のいずれの実施例においても、水素タンク４とラミネート電池との間の熱の授受によりラミネート電池は冷却されるが、その冷却効果に加えて、水素タンク４が固定保持された燃料電池車両が走行している時には、水素タンク４の周りに生じる風により水素タンク４に貼り付けられたラミネート電池は冷却される。この実施例４では、先の実施例１で得られる効果と同様の効果を得ることができると共に、ラミネート電池７１の表面に放熱フィン８１を取り付けることで、上述した車両走行時に生じる風により先の実施例１〜実施例３に比べてより一層ラミネート電池７１の冷却効果を高めることができる。

図９は本発明の実施例５における、水素タンク４に２次電池を取り付ける方法を示す断面図である。この実施例５の特徴とするところは、図９に示すように、水素タンク４の芯材４１に巻き付けられた外周補強材４２の表面に、熱伝導性の良好な接着材９１で２次電池を構成する先の実施例１〜実施例４に示す形態のラミネート電池９２を貼り付けるようにしたことにある。なお、水素タンク４に水素を出し入れする際に水素タンク４は膨張、収縮するため、この実施例５で示す方法で、水素タンク４にラミネート電池９２を取り付ける場合には、比較的小型なラミネート電池９２を使用することにより、水素タンク４の膨張、収縮の影響を少なくすることができる。

このような実施例５においては、水素タンク４ならびにラミネート電池９２を加工することなく、水素タンク４とラミネート電池９２とを貼り付けて接触させることが可能となる。

図１０は本発明の実施例６における、水素タンク４に２次電池を取り付ける方法を示す断面図である。この実施例６の特徴とするところは、２次電池を構成する先の実施例１〜実施例４に示す形態のラミネート電池１０１に取り付け用の穴を設け、図１０に示すように、水素タンク４の芯材４１に巻き付けられた外周補強材４２の表面に、ラミネート電池１０１をボルト１０２でネジ止めするようにしたことにある。これにより、水素タンク４とラミネート電池９２とを貼り付けて接触させることが可能となる。

なお、上述したように水素タンク４に水素を出し入れする際に水素タンク４は膨張、収縮するため、この実施例５で示す方法で、水素タンク４にラミネート電池１０１を取り付ける際には、比較的小型なラミネート電池１０１を使用することにより、水素タンク４の膨張、収縮の影響を少なくすることができる。

このような実施例６においては、先の実施例５に比べて、２次電池に取り付け用の穴を開けるという加工作業が必要となるが、接着材の経年劣化による接着力の低下の影響を受けることはなく、水素タンク４とラミネート電池１０１との接着性を向上させることができる。

図１１は本発明の実施例７における、水素タンク４に２次電池を取り付ける方法を示す図であり、同図（ａ）は正面図であり、同図（ｂ）は同図（ａ）の側面の断面図である。この実施例７の特徴とするとことは、水素タンク４の胴部の外周面に接触して巻き付けられた、図７に示すような板状のラミネート電池７１の外周表面にバンド１１１を巻き付けてラミネート電池７１を水素タンク４に接触させて固定保持したことにある。水素タンク４に水素を出し入れする際に水素タンク４は膨張、収縮するため、水素タンク４を固定保持するバンド１１１は、ゴムなどの膨張、収縮性に優れた材料で構成される。水素タンク４は、図５に示すと同様に、ブラケット５２で燃料電池車両等に固定保持されている。

このような実施例７においては、水素タンク４ならびにラミネート電池９２を加工することなく、水素タンク４とラミネート電池７１とを接触させて固定保持することが可能となる。

図１２は上記燃料電池システムの低温起動時又は暖機運転時における運転の様子を示す図である。

図１２において、燃料電池システムの低温起動時又は暖機運転時には、まず燃料電池スタック１の起動のために補機２１を作動させる。そして、２次電池２の残充電量ＳＯＣが予め劣化等を考慮して定めた所定の設定値以上となっていることを条件として、コントローラ３が２次電池２からの電力取り出しを優先させて２次電池２を積極的に発熱させる。これにより、２次電池２の温度は上昇し、２次電池２の発熱により上昇した温度は、直接水素タンク４へ伝熱する。この結果、水素タンク４内の水素温度は上昇し、特別な加温装置を設けることなく燃料電池スタック１へ供給される水素の供給温度を高めることができる。これにより、燃料電池システムの暖気性能が向上し、より低温で始動が可能となり、低温起動時間又は暖機運転時間を短縮することが可能になる。また、システム内部の暖機装置などを省略することが可能となる。

さらに、上記燃料電池システムが長期的に使用される中で、２次電池性能の低下防止が要求される燃料電池車両（ＦＣＶ）等へ車載する場合には、２次電池２を、車両に搭載されている燃料電池の起動用、回生エネルギの蓄電用に特に最適化して用いることができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 実施例１に示すシステムにおける、２次電池の放電時の様子を示す図である。 実施例１における、水素タンクにラミネート電池で構成された２次電池を設置する方法を示す図である。 水素タンクの構造を示す図である。 実施例１における、水素タンクの固定保持の他の例を示す図である。 実施例２における、水素タンクにラミネート電池で構成された２次電池を設置する方法を示す図である。 実施例３における、水素タンクにラミネート電池で構成された２次電池を設置する方法を示す図である。 実施例４における、水素タンクにラミネート電池で構成された２次電池を設置する方法を示す図である。 実施例５における、水素タンクにラミネート電池で構成された２次電池を設置する方法を示す図である。 実施例６における、水素タンクにラミネート電池で構成された２次電池を設置する方法を示す図である。 実施例７における、水素タンクにラミネート電池で構成された２次電池を設置する方法を示す図である。 燃料電池システムにおける、低温起動時又は暖機運転時の様子を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…２次電池
３…コントローラ
４…水素タンク
５…排出弁
６…水素調圧弁
７…水素供給配管
８…水素排気配管
９…コンプレッサ
１０…空気供給配管
１１…空気排気配管
１２…熱交換器
１３…循環経路
１４…循環ポンプ
１５…ラジエータ
１６，１７…温度センサ
１８…駆動モータインバータ
１９…駆動モータ
２０…電圧・電流計
２１…補機
２２…駆動輪
３１，６１，７１，９２，１０１…ラミネート電池
３２…ハーネス
３３，１１１…バンド
４１…芯材
４２…外周補強材
４３…肩部
４４…緩衝材
５１…エンドプラグ部
５２…ブラケット
８１…放熱フィン
９１…接着材
１０２…ボルト

Claims (6)

1. 水素を燃料として発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される水素を高圧圧縮して貯蔵する水素タンクと、
   前記燃料電池で発電されて得られた電力を補完する電力が蓄電される２次電池と
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記２次電池は、前記水素タンクの外周面に接触して設置されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記２次電池は、前記水素タンクの外周面において、水素タンクの軸方向の中央部（胴部）に設置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記２次電池は、正極板と負極板とがセパレータを介して順次積層された発電要素を金属複合フィルムよりなる電池外装で密封されてなる積層型電池で構成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記２次電池は、前記水素タンクに貯蔵された水素が前記燃料電池に供給される際に、前記水素タンク内部の断熱膨張に伴う温度低下によって冷却される
   ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池システムの低温起動時又は暖機運転時に、前記２次電池からの電力取り出しを優先させて、前記２次電池の発熱により、前記水素タンク内の水素が暖められる
   ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池システムは、車両に搭載されて、車両駆動源である駆動モータへの電力供給に用いられる
   ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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