JP2006040804A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 安全性、信頼性を向上させて、低消費電力で低温時の起動性を改善することを課題とする。
【解決手段】 発熱剤の酸化カルシウムと反応剤の水との化学反応により得られる反応熱で、燃料電池スタック１に導入される前の冷却媒体ならびに酸化剤ガスを加熱して昇温し、昇温した冷却媒体ならびに酸化剤ガスを燃料電池スタック１に導入する昇温装置５を備えて構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷機状態での起動性を改善した燃料電池システムに関する。

水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギーを得る燃料電池においては、化学反応を利用することから常温よりも高い温度で動作させることで、効率よく電気エネルギーを得ることができる。したがって、燃料電池の起動時、特に氷点下等の低温状態で起動する場合には、燃料電池を加熱して昇温させる必要がある。

そこで、燃料電池の起動時における従来の昇温方法としては、例えば燃料ガスを燃焼させてその燃焼熱で燃料電池スタックを冷却する水等の冷却媒体を加熱し、加熱された冷却媒体を燃料電池スタックに循環させて燃料電池スタックを加熱して昇温する方法が知られている。燃料ガスを燃焼させて得られる燃焼ガスにより冷却媒体を加熱する方法以外に、冷却媒体を加熱する方法としては、例えば電気ヒータにより加熱する方法も知られている（特許文献１参照）。

また、以下に示す文献（特許文献２参照）に記載されているように、燃料電池スタックの積層方向への加圧力を選択的に低下させ、セル間やセルを構成する部材間の接触抵抗をを増大させることで、燃料電池スタックの内部損失を大きくし、自己発熱量を上げて昇温する手法も知られている。
特開平７−９４２０２号公報 特開平７−３０２６０７号公報

以上説明したように、低温起動時に燃料電池スタックを昇温させる従来の手法において、燃料ガスの燃焼熱で加熱された冷却媒体を燃料電池スタックに循環させて昇温する手法では、可燃性の燃料ガスを燃焼器まで分配しなければならない。このため、分配用の配管の長さが増大し、燃料ガスが漏れるおそれが増し、信頼性の低下を招くおそれがあった。また、燃料電池スタックを車両に搭載した場合には、車両の停止状態で燃料ガスを相当消費するため、燃費が悪化する可能性があった。

一方、電気ヒータで燃料ガスを加熱する方法では、外部からの電源を使用しない場合、車両に搭載している２次電池からの電力供給のみで電気ヒータを作動させることになる。このような場合に、燃料電池スタックの温度がある程度上昇するまでは燃料電池スタック本体から電力の取り出しが期待できない。このため、燃料電池スタックの温度が上昇するまでは電気ヒータのみならず、燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを圧縮する酸化剤ガス供給用の圧縮機を初めとする補機類を全て２次電池の電力で賄うことが求められる。

したがって、大電力を賄うためには２次電池の容量を増加させる必要があり、２次電池の大型化、重量化を招くことになる。燃料電池スタックを車両に搭載する場合には、搭載空間に制限があるので、２次電池の大型化は２次電池の車両での設置箇所に制約を与え、２次電池の重量増加は燃費の悪化も招くといった問題があった。

一方、燃料電池スタックの締付け圧力を減少させて自己発熱量の増大により昇温する手法では、燃料電池スタックの締付け圧の減少により燃料電池スタックから燃料漏れが発生することが懸念され、安全上問題があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、安全性、信頼性を向上させて、低消費電力で低温時の起動性を改善した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、燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムおいて、発熱剤に反応剤を加えて生じる化学反応により得られる反応熱で、前記燃料電池に導入される前の冷却媒体ならびに酸化剤ガスを加熱して昇温し、昇温した冷却媒体ならびに酸化剤ガスを前記燃料電池に導入する昇温装置を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料ガス漏れを起こす可能性のある部位を減らせることが可能となり、システムの安全運転の観点から極めて有効である。また、システムの低温起動時に必要な消費電力を低減することができ、システムの低温起動を容易化することができる。

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は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを化学反応させて電気エネルギーを得る燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１から取り出された電力を消費する、例えば車両を駆動する駆動モータ等の負荷２と、燃料電池スタック１から取り出された電力で充電され、蓄えられた電力を電気ヒータ等の燃料電池システムの運転に必要な構成要素に給電する２次電池３と、燃料電池スタック１から取り出された電力を負荷２ならびに２次電池３に分配管理する電力分配装置４と、燃料電池スタック１に供給される酸化剤ガスならびに燃料電池スタック１を冷却する冷却媒体を昇温する昇温装置５を備えて構成されている。

燃料電池スタック１には、冷媒導入配管６を介して冷却媒体が導入され、燃料電池スタック１に導入された冷却媒体は冷媒排出配管７を介して燃料電池スタック１から排出され、排出された冷却媒体は、図示しない冷却装置で冷却される。一方、排出された冷却媒体は、必要に応じて、バイパス用の三方弁８を介して冷媒導入配管６と冷媒排出配管７と間に設けられたバイパス配管９を通って、冷媒導入配管６にバイパスされる。

冷媒導入配管６には、分岐用の三方弁１０を介して、燃料電池スタック１に導入される前の冷却媒体を昇温装置５に分岐バイパスさせて冷媒導入配管６の下流側に戻す冷媒分岐配管１１が設けられている。この冷媒分岐配管１１は、昇温装置５を貫通するように配管され、システムの低温起動時には、三方弁１０を切り替え制御することで、三方弁１０を介して冷媒導入配管６と接続されて冷却媒体を昇温装置５に導入し、システムの起動後は冷媒導入配管６と非接続される。

燃料電池スタック１には、酸化剤ガス導入配管１２を介して、空気圧縮機１３で圧縮されて高温化された酸化剤ガスが導入される。酸化剤ガス導入配管１２には、分岐用の三方弁１４を介して、燃料電池スタック１に導入される前の酸化剤ガスを昇温装置５に分岐バイパスさせて酸化剤ガス導入配管１２の下流側に戻す酸化剤ガス分岐配管１５が設けられている。この酸化剤ガス分岐配管１５は、昇温装置５を貫通するように配管され、システムの低温起動時には、三方弁１４を切り替え制御することで、三方弁１４を介して酸化剤ガス導入配管１２と接続されて酸化剤ガスを昇温装置５に導入し、システムの起動後は酸化剤ガス導入配管１２と非接続される。また、三方弁１４間の酸化剤ガス導入配管１２は、昇温装置５を貫通して配管されている。

燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から排出されたオフガスを外部に導くオフガス配管１６が設けられている。このオフガス配管１６は、昇温装置５を貫通するようにして昇温装置５に接続配管されている。昇温装置５を貫通した下流側のオフガス配管１６には、水分回収器１７が設けられている。この水分回収器１７は、燃料電池スタック１から排出されたオフガスに含まれる水分を凝縮させて、オフガスから水分を回収する。回収された水分は、水分回収配管１８を介して水タンク１９に蓄えられる。

この水タンク１９に蓄えられた水は、昇温装置５で行われる昇温動作の際に使用される反応剤として反応剤導入配管２０を介して昇温装置５に導入される。水タンク１９には、電気ヒータ２１が設けられている。この電気ヒータ２１は、２次電池３から給電されて水タンク１９を加熱し、低温時に蓄えられた水が凍結した際に凍結水を解凍する。

昇温装置５は、図２の断面図に示すように構成されている。図２において、昇温装置５は、最外殻部に蓄熱剤５１が設けられ、この蓄熱剤５１には、図１に示す三方弁１４間の酸化剤ガス導入配管１２、ならびにオフガス配管１６が貫通して配管されている。蓄熱剤５１中の酸化剤ガス導入配管１２ならびにオフガス配管１６には、酸化剤ガスならびにオフガスの熱を蓄熱剤５１に伝達するための熱交換器５２，５３が設けられている。蓄熱剤５１は、熱交換器５２，５３を介して与えられた酸化剤ガス又はオフガスの熱を蓄熱し、蓄熱した熱によりシステム停止後の昇温装置５の保温を補助する。

蓄熱剤５１に取り囲まれるようにして昇温装置５の内部には、冷却媒体ならびに酸化剤ガスを加熱する、例えば酸化カルシウムで構成されて発熱剤容器に収容された発熱剤５４が配置されている。この発熱剤５４には、冷媒分岐配管１１ならびに酸化剤ガス分岐配管１５が貫通して配管されている。発熱剤５４中の冷媒分岐配管１１ならびに酸化剤ガス分岐配管１５には、発熱剤５４の発熱反応で得られた熱を冷却媒体ならびに酸化剤ガスに伝達するための熱交換器５５が設けられている。

昇温装置５には、発熱剤５４には、発熱剤５４に加えられて発熱反応を発生させる反応剤として作用し、図１に示す水タンク１９に蓄えられて反応剤導入配管２０を介して与えられた水を発熱剤５４に均等に分岐するマニホールド５６、ならびに発熱反応後の酸化カルシウムを再生するために使用される電気ヒータ５７が設けられている。

発熱剤５４は、酸化カルシウムと水タンク１９から供給された水との化学反応により得られた反応熱を、熱交換器５５を介して冷媒分岐配管１１を流通する冷却媒体、ならびに酸化剤ガス分岐配管１５を流通する酸化剤ガスに伝達して、燃料電池スタック１に導入される前の冷却媒体ならびに酸化剤ガスを昇温する。酸化カルシウムは水との反応後水酸化カルシウムとなり、水との化学反応により再度反応熱を取り出すことができない。これを回避するために、水酸化カルシウムは、２次電池３から給電された電気ヒータ５７により５８０℃程度以上に加熱され、水との化学反応により反応熱が得られる酸化カルシウムに還元されて再生される。

また、この燃料電池システムは、コントロールユニット（図示せず）を備えている。コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、本システムにおける各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、三方弁１０、１４を含む本システムの各構成要素に指令を送り、昇温装置５における昇温動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

このような構成において、この実施例の燃料電池システムでは、低温状態でシステムを起動される場合には、先ず反応剤導入配管２０を介して水タンク１９に蓄えられた水を昇温装置５に導入する。氷点下時に水タンク１９に蓄えられていた水が凍結していた場合には、電気ヒータ２１に通電して凍結水を加熱して解凍する。したがって、反応剤導入配管２０は、断熱仕様かつ配管長が短い方が好ましい。

反応剤導入配管２０を介して水タンク１９から昇温装置５に導入された水は、昇温装置５に設けられたマニホールド５６で発熱剤５４に均等に分配される。これにより、発熱剤５４を構成する酸化カルシウムと水が反応し、この反応で反応熱が生じる。反応後所定の時間が経過して、この反応熱により発熱剤５４の温度がある程度上がったところで、冷媒導入配管６の三方弁１０ならびに酸化剤ガス導入配管１２の三方弁１４を切り替えて、冷媒分岐配管１１を冷媒導入配管６に接続し、かつ酸化剤ガス分岐配管１５を酸化剤ガス導入配管１２に接続する。これにより、燃料電池スタック１に導入される前の冷媒導入配管６を流通する冷却媒体を冷媒分岐配管１１を介して昇温装置５に分岐させ、かつ燃料電池スタック１に導入される前の酸化剤ガス導入配管１２を流通する酸化剤ガスを酸化剤ガス分岐配管１５を介して昇温装置５に分岐させる。

冷媒導入配管６から冷媒分岐配管１１を介して昇温装置５に分岐した冷却媒体は、昇温装置５の発熱剤５４を貫通する冷媒分岐配管１１を流通する。これにより、発熱剤５４の中の冷媒分岐配管１１に設けられた熱交換器５５を介して発熱剤５４で得られた反応熱が冷媒分岐配管１１を流通する冷却媒体に伝わり、冷却媒体が昇温される。また、酸化剤ガス導入配管１２から酸化剤ガス分岐配管１５を介して昇温装置５に分岐した酸化剤ガスは、昇温装置５の発熱剤５４を貫通する酸化剤ガス分岐配管１５を流通する。これにより、発熱剤５４の中の酸化剤ガス分岐配管１５に設けられた熱交換器５５を介して発熱剤５４で得られた反応熱が酸化剤ガス分岐配管１５を流通する酸化剤ガスに伝わり、酸化剤ガスが昇温される。

このようにして、昇温装置５で昇温された冷却媒体は、冷媒分岐配管１１ならびに三方弁１０を介して冷媒導入配管６に戻り、冷媒導入配管６を介して燃料電池スタック１に導入される。また、昇温装置５で昇温された酸化剤ガスは、酸化剤ガス分岐配管１５ならびに三方弁１４を介して酸化剤ガス導入配管１２に戻り、酸化剤ガス導入配管１２を介して燃料電池スタック１に導入される。このように、昇温装置５で昇温された冷却媒体ならびに酸化剤ガスが燃料電池スタック１に導入されることで、燃料電池スタック１の昇温が促進される。

その後、燃料電池スタック１が一定の温度に到達したところで、三方弁１０，１４を切り替え制御し、冷媒分岐配管１１を冷媒導入配管６から切り離し、冷却媒体を昇温装置５に分岐バイパスさせることなく燃料電池スタック１に導入し、かつ酸化剤ガス分岐配管１５を酸化剤ガス導入配管１２から切り離し、酸化剤ガスを昇温装置５の発熱剤５４を貫通させることなく燃料電池スタック１に導入する。これにより、燃料電池スタック１を通常運転に切り替える。

燃料電池スタック１が通常運転に切り替えられて、燃料電池スタック１から排出されたオフガスの温度、ならびに空気圧縮機１３で圧縮された酸化剤ガスの温度が上がる。これにより、温度が上がったオフガスは昇温装置５の蓄熱剤５１を貫通するオフガス配管１６を流通することで、蓄熱剤５１に設けられた熱交換器５２を介してオフガスと蓄熱剤５１が熱交換され、蓄熱剤５１が加熱される。また、温度が上がった酸化剤ガスは昇温装置５の蓄熱剤５１を貫通する酸化剤ガス導入配管１２を流通することで、蓄熱剤５１に設けられた熱交換器５３を介して酸化剤ガスと蓄熱剤５１が熱交換され、蓄熱剤５１が加熱される。

このようにして、蓄熱剤５１が加熱されることで、昇温装置５はシステムの運転停止後もしばらくの間は保温され、次回の低温状態でのシステムの起動を補助することが可能となる。また、昇温装置５より下流側のオフガス配管１６に設けられた水分回収器１７により、オフガスに含まれる水分が取り出され、取り出された水分が水分回収配管１８を介して水タンク１９に回収されて蓄えられる。これにより、昇温装置５で使用された水タンク１９の水は補充される。

次に、昇温装置５で行われた発熱反応の終わった発熱剤５４の酸化カルシウムは、反応が終わった後は水を加えても発熱しない水酸化カルシウムに変化している。このため、水酸化カルシウムに水を加えても反応熱は生じないので、このままでは次回の発熱反応に使用することができない。したがって、水酸化カルシウムを酸化カルシウムに再生処理する必要がある。

この再生処理では、先ず燃料電池システムが起動された後、余剰電力や回生時の電力を使用して昇温装置５に設けられた電気ヒータ５７に通電し、電気ヒータ５７で水酸化カルシウムを加熱する。なお、システムの運転直後に発電量を増加し、増加分の電力を電気ヒータ５７に供給して加熱するようにしてもよいが、通常運転時の余剰電力や回生時の電力を使用することが燃費の面から好ましい。また、昇温装置５の外周に配置されている蓄熱剤５１により発熱剤５４の昇温が補助される。

これらの加熱手段により、発熱剤５４を収容する発熱剤容器を５８０℃程度以上に加熱する。これにより、発熱反応後の発熱剤５４である水酸化カルシウムは元の酸化カルシウムへ還元されて再生される。冬季などの低温下でのシステムの起動時は、この昇温、再生のサイクルを繰り返すことにより、システムの低温起動が容易となる。

以上説明したように、上記実施形態においては、燃料電池スタック１を昇温して起動する際に、従来のように燃料ガスを使用した燃焼器を使用していないので、燃料ガスを燃焼器に導入する燃料分岐用の配管が不要となる。これにより、燃料ガス漏れを起こす可能性のある部位を減らすことが可能となり、システムの安全運転の観点から極めて有効である。

また、システムの低温起動時に、２次電池を使用しないため、２次電池に蓄えられた電力を他の補器の駆動にまわすことができる。これにより、電気ヒータを使用した従来の昇温装置と比較して、起動１回あたりの消費電力を低減することが可能となり、難しい低温起動の回数を増やすことができる。

さらに、昇温装置５における発熱反応で使用される反応剤の水は、容易に入手することが可能であるため、水分回収配管１８以外から水タンク１９に水を供給できるように水タンク１９を構成することで、最悪水タンク１９内の水がなくなった場合であっても、反応剤の水を簡単に補充することができる。

昇温装置５の発熱反応で発熱剤５４として使用される酸化カルシウムは、広く一般に普及しているため、比較的容易かつ安価に入手することが可能である。したがって、昇温装置５は、量産性に優れ、補修部品等についても容易で安価に供給することができる。

燃料電池スタック１における発電時に水が生成されるため、この水を回収して蓄え、蓄えた水を昇温装置５における発熱反応に使用することで、発熱反応で使用された反応剤の水を補充する手間を省くことができる。

また、昇温装置５の最外殻部に蓄熱剤５１を設け、システムの通常運転時に蓄熱剤５１に蓄熱し、システム停止後蓄熱された熱で昇温装置５が保温されるので、システムの停止後比較的長く昇温装置５の温度を高く保つことが可能となる。これにより、昇温装置５を貫通する部分の冷媒分岐配管１１ならびに酸化剤ガス分岐配管１５を長く保温することができるようになり、冷却媒体ならびに酸化剤ガスがそれぞれ対応する分岐配管に導入された際に迅速に昇温することが可能となり、システムの低温起動に有利となる。蓄熱剤５１の蓄熱は、発熱剤５４を保温するので、使用された発熱剤５４を加熱して再生する際にも有利である。

なお、本実施例では、発熱反応に水と酸化カルシウムを使用したが、その他の材料を使用して発熱反応を生じさせても構わない。また、本実施例では、加熱により発熱剤５４の水酸化カルシウムを再生処理しているが、その他適切な方法で発熱剤５４を再生するようにしてもよい。

さらに、上記実施例では、一部の説明において、燃料電池システムを車両に搭載したものとして説明したが、本システムは使用される環境を選ぶものではなく、車両以外の他の移動体に搭載してもよく、あるいは産業用や一般家庭等で使用される据え置き型のものであっても、同様の効果を得ることができることは勿論である。

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。 図１に示す昇温装置の構成を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…負荷
３…２次電池
４…電力分配装置
５…昇温装置
６…冷媒導入配管
７…冷媒排出配管
８，１０，１４…三方弁
９…バイパス配管
１１…冷媒分岐配管
１２…酸化剤ガス導入配管
１３…空気圧縮機
１５…酸化剤ガス分岐配管
１６…オフガス配管
１７…水分回収器
１８…水分回収配管
１９…水タンク
２０…反応剤導入配管
２１，５７…電気ヒータ
５１…蓄熱剤
５２，５３，５５…熱交換器
５４…発熱剤
５６…マニホールド

Claims (5)

1. 燃料極に供給される燃料ガスと、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムおいて、
   発熱剤に反応剤を加えて生じる化学反応により得られる反応熱で、前記燃料電池に導入される前の冷却媒体ならびに酸化剤ガスを加熱して昇温し、昇温した冷却媒体ならびに酸化剤ガスを前記燃料電池に導入する昇温装置
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記発熱剤は、酸化カルシウムからなり、前記反応剤は水からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記発熱剤の酸化カルシウムと前記反応剤の水との化学反応の後、生成された水酸化カルシウムを加熱して、酸化カルシウムを再生する再生手段
   を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の発電により生成された水を回収して蓄える水分回収蓄積手段を備え、前記水分回収蓄積手段に蓄えられた水を、前記反応剤に用いる
   ことを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
5. 前記昇温装置は、前記発熱剤の周囲に蓄熱剤が配置され、
   前記蓄熱剤は、前記燃料電池から排出されたオフガスの熱、ならびに前記燃料電池に導入される前に圧縮されて高温化された酸化剤ガスの熱が与えられて蓄熱され、前記昇温装置を保温する
   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。

Images