JP2006049137A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの起動時間を短縮し、起動用バッテリの容量を削減する。
【解決手段】 通常運転時は、水素タンク４から調圧弁５，６を介して外部加湿型燃料電池２，内部加湿型燃料電池３へ水素を供給する。外部加湿型燃料電池２のアノードオフガスは、エゼクタ１４により内部加湿型燃料電池３のアノードオフガスと混合され、エゼクタ１５の吸込口へ供給される。エゼクタ１５は、新規水素ガスを駆動流として、吸込口からアノードオフガスを吸い込んで、両者の混合ガスを内部加湿型燃料電池３のアノードに供給する。燃料電池システム１の起動時には、電気ヒータ３２で加熱された冷却水を循環させ、水保有量の少ない外部加湿型燃料電池２を先に解凍して外部加湿型燃料電池２の発電を開始させる。外部加湿型燃料電池２の廃熱で冷却水を加熱するとともに、その発電電力でバッテリ３１を充電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内部加湿型燃料電池と外部加湿型燃料電池とを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、水素貯蔵装置や燃料改質装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、大気汚染物質の排出がなく究極のクリーン車両である。

ところで、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、湿潤状態を維持しないと良好な水素イオン導電性を発揮しない。固体高分子膜を湿潤状態に維持する為には、燃料電池の外部に設けた加湿装置で燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する外部加湿方法や、燃料電池内部に加湿用の純水通路を設け、この純水通路と多孔質性の水透過板を介して燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する内部加湿方法がある。前者の加湿方法によるものは外部加湿型燃料電池、後者のものは内部加湿型燃料電池とそれぞれ呼ばれている。

外部加湿型燃料電池としては、ガス送給ライン上に噴霧チャンバを設け、噴霧チャンバ内へ加熱された水を噴霧することにより、反応ガスを加湿する技術が公知である（例えば、特許文献１）。また、多孔質の水透過膜による水蒸気交換装置を加湿装置として使用した外部加湿型燃料電池がある。これは、水蒸気透過膜や中空糸膜を介して燃料電池へ供給する反応ガスと燃料電池から排出される排ガスとの水蒸気交換により反応ガスを加湿している（例えば、特許文献２、３）。

内部加湿型燃料電池としては、ガス拡散層に設けた水路から直接電極膜接合体（ＭＥＡ）を加湿する技術（例えば、特許文献４）や、燃料ガス流路と冷却水流路とを隔てるセパレータの冷却水路側から多孔質材を介して燃料ガス流路側へ水を染み出させ、燃料ガスを加湿する技術が知られている（例えば、特許文献５）。

また、燃料電池車両等の屋外用途では、燃料電池内部の液水が凍結することがある。この解凍のために、燃焼器で加熱した冷却液を燃料電池に循環させる燃料電池システムがある（例えば、特許文献６）。
特開２００２−０３３１１１号公報（第３頁、図１） 特開２００２−１７０５８４号公報（第３頁、図１） 特開２００２−２１６８１４号公報（第４頁、図２） 特開平８−３０６３７５号公報（第５頁、図１） 特開平１１−０７３９７９号公報（第３頁、図１） 特開２００３−２４３０１２号公報（第５頁、図１）

上記従来の内部加湿型燃料電池にあっては、外部加湿型燃料電池に比べて水保有量が多く従って解凍すべき氷の量が膨大となり、その解凍を電気的に行うとすれば、大容量のバッテリを必要としたり、外部電源が利用可能な場所である必要があった。

しかしながら解凍の為に大容量のバッテリを備えるとすれば、燃料電池システムの容積及び重量が嵩み、特に燃料電池車両の用途では、車両搭載性及び燃費性能が著しく低下するという問題点があった。また解凍のために外部電源を使用するとすれば、冬季の燃料電池車両の駐車場所が外部電源が得られる場所に限定されるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池内部で反応ガスに加湿可能な内部加湿型燃料電池と、燃料電池内部で反応ガスに加湿しない外部加湿型燃料電池と、前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池にそれぞれ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池にそれぞれ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池を冷却水で冷却する冷却装置と、前記外部加湿型燃料電池の発電電力で充電されるバッテリと、該バッテリの電力で前記冷却水を加熱する電気ヒータと、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、電気ヒータで加熱された冷却水により、まず水保有量が少ない外部加湿型燃料電池が解凍されて発電可能になる。そして外部加湿型燃料電池の発電開始後は、電気ヒータの加熱と外部加湿型燃料電池の廃熱により、内部加湿型燃料電池を解凍することができるので、電気ヒータに電力を供給するバッテリを大容量化しなくても済み、燃料電池システムの容積及び重量を減少させ、燃料電池システムの車両搭載性及び燃費性能を向上させることができるという効果がある。

また本発明によれば、燃料電池システムの解凍完了までの時間を短縮し、氷点下の起動から定格出力可能な状態となるまでの起動時間を短縮することができるという効果がある。

さらに本発明のよれば、解凍のための外部電源を必要としないので、屋外での燃料電池システムの使用場所や、燃料電池車両の駐車場所が限定されないという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、燃料電池内部で反応ガスに加湿可能な内部加湿型燃料電池スタック（以下、内部加湿型燃料電池と略す）３と、燃料電池内部で反応ガスに加湿しない外部加湿型燃料電池スタック（以下、外部加湿型燃料電池と略す）２と、内部加湿型燃料電池３及び外部加湿型燃料電池２にそれぞれ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段である水素タンク４と、外部加湿型燃料電池２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段であるコンプレッサ８と、内部加湿型燃料電池３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段であるコンプレッサ９と、内部加湿型燃料電池３及び外部加湿型燃料電池２を冷却水で冷却する冷却装置である冷却水ポンプ３３及び冷却水循環路３４と、外部加湿型燃料電池２の発電電力で充電されるバッテリ３１と、バッテリ３１の電力で冷却水を加熱する電気ヒータ３２とを備えている。

尚、本実施例では、内部加湿型燃料電池３が主燃料電池であり、車両駆動モータ（或いはそのインバータ）等の主負荷装置３９に電力を供給する。外部加湿型燃料電池２は、副燃料電池であり、バッテリ３１、電気ヒータ３２，コンプレッサ８，９、冷却水ポンプ３３等の燃料電池補機３７、及び空気調和機等の車両補機３８に電力を供給する。

図５（ａ）は、内部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図、図５（ｂ）は外部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図である。

図５（ａ）に示すように、内部加湿型燃料電池の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜５２の両面にアノード電極触媒層５３及びカソード電極触媒層５４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）５１と、ＭＥＡ５１の両面に配置されたアノードガス拡散層５５，カソードガス拡散層５６と、水透過板５７，５８と、セパレータ５９，６０を備えている。

水透過板５７，５８は、例えば、主として機械的強度を担う板状のフレーム材６１に設けた多数の貫通孔に、加湿機能を担う多孔質材６２を埋め込んで形成されている。セパレータ５９と水透過板５７，セパレータ６０と水透過板５８との間には、それぞれ純水流路７３，７４が設けられ、純水が供給される。純水は、水透過板５７，５８の純水流路７３，７４に接する一方の面から多孔質材６２を介して他方の面に浸透する。水透過板５７，５８の他方の面にはそれぞれ水素流路７１，空気流路７２が設けられ、純水流路から浸透した純水がそれぞれ水素、空気を加湿するようになっている。

図５（ｂ）に示すように、外部加湿型燃料電池の単位であるセルは、固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜５２の両面にアノード電極触媒層５３及びカソード電極触媒層５４をそれぞれ形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）５１と、ＭＥＡ５１の両面に配置されたアノードガス拡散層５５，カソードガス拡散層５６と、セパレータ５９，６０を備えている。

セパレータ５９とアノードガス拡散層５５との間には、水素流路７１が設けられ、燃料電池の外部で加湿された水素が供給される。同様に、セパレータ６０とカソードガス拡散層５６との間には、空気流路７２が設けられ、燃料電池の外部で加湿された空気が供給される。

本実施例では、内部加湿型燃料電池３及び外部加湿型燃料電池２は、固体高分子型燃料電池とする。これらの燃料電池のアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての反応は、以下に示す式（１）〜（３）による。

〔化１〕
〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
図１に戻って、次に、燃料電池システム１の燃料ガス系を説明する。燃料電池システム１は、燃料ガス供給手段として、水素吸蔵材料タンクや高圧ガスタンクを用いた水素タンク４を備えている。水素タンク４から放出される水素は、それぞれ調圧弁５、６により圧力調整されて、燃料ガス供給路１７，１８を介して外部加湿型燃料電池２、内部加湿型燃料電池３の各アノードに供給される。

ここで、調圧弁５を介して外部加湿型燃料電池２へ供給する水素ガス圧力は、調圧弁６を介して内部加湿型燃料電池３へ供給する水素ガス圧力より高い圧力とする。言い換えれば、外部加湿型燃料電池２は、内部加湿型燃料電池３より高い運転圧力で運転されるものとする。

外部加湿型燃料電池２のアノードからは、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスが排出され、この外部加湿型燃料電池２のアノードオフガスは、燃料ガス排出路１９を介してエゼクタ１４の入口へ導入される。エゼクタ１４は、外部加湿型燃料電池２のアノードオフガスを駆動流として、吸込口から内部加湿型燃料電池３のアノードオフガスを吸い込み、両アノードオフガスの混合ガスを出口から排出する。

エゼクタ１５は、調圧弁６を介して供給される新規水素ガスがその入口に供給され、吸込口から水素循環路２０を介して、エゼクタ１４が排出する混合ガスを吸い込む。そしてエゼクタ１５の出口からは、新規水素ガスとアノードオフガスとの混合ガスが内部加湿型燃料電池３のアノードに供給される。ここで、水素循環路２０と、エゼクタ１５とは、第１の燃料ガス循環手段を構成している。

このように、本実施例では、外部加湿型燃料電池２のアノードオフガスを内部加湿型燃料電池３で利用する結合運転が可能である。

また水素循環路２０には、カソードからアノードへリークした空気中の不活性ガスや液水等の不純物を含むアノードオフガスを系外に排出する排出弁１６が設けられている。

酸化剤ガスとしての空気は、エアフィルタ７で塵埃や燃料電池に有害な物質が濾過された後に、コンプレッサ８，９へそれぞれ供給されて圧縮される。

コンプレッサ８で圧縮された空気は、加湿器１０で外部加湿型燃料電池２のカソード排気と水蒸気透過膜を介して水蒸気交換により加湿される。加湿器１０で加湿された空気は、外部加湿型燃料電池２のカソードへ供給される。外部加湿型燃料電池２のカソードからの排気は、発電反応による生成水を水蒸気として含んでいる。このカソードからの排気は、加湿器１０でコンプレッサ８からの空気と水蒸気交換した後に、調圧弁１２により圧力調整されて系外へ排出される。

コンプレッサ９で圧縮された空気は、加湿器１１で内部加湿型燃料電池３のカソード排気と水蒸気透過膜を介して水蒸気交換により加湿される。加湿器１１で加湿された空気は、内部加湿型燃料電池３のカソードへ供給される。内部加湿型燃料電池３のカソードからの排気は、発電反応による生成水を水蒸気として含んでいる。このカソードからの排気は、加湿器１１でコンプレッサ９からの空気と水蒸気交換した後に、調圧弁１３により圧力調整されて系外へ排出される。

また外部加湿型燃料電池２及び内部加湿型燃料電池の冷却装置として、外部加湿型燃料電池２と内部加湿型燃料電池３とを循環する冷却水循環路３４と、この冷却水循環路３４に冷却水を循環させる冷却水ポンプ３３、及び図示しないラジエータが設けられている。

冷却水は、内部加湿型燃料電池３の加湿用水を兼ねるもので、純水でもよいが、凍結温度を低下させるために、水にエチレングリコール等の凍結温度低下剤を混合した不凍液が好ましい。

冷却水循環路３４には、低温起動時に冷却水を加熱する電気ヒータ３２が設けられている。電気ヒータ３２は、バッテリ３１から電力供給され、バッテリ３１は、外部加湿型燃料電池２から充電されるように接続されている。

次に、本実施例における燃料電池システム１の起動時の制御を説明する。

燃料電池システム１を運転停止状態で零度以下の低温環境に放置した場合、冷却水に不凍液を用いても外部加湿型燃料電池２及び内部加湿型燃料電池３の内部に残留する水分が凍結する。このため、燃料電池システム１の起動時に、まず電気ヒータ３２により冷却水を加熱しながら冷却水ポンプ３３を運転して、温度上昇させた冷却水を外部加湿型燃料電池２及び内部加湿型燃料電池３に循環させる。この加熱冷却水の循環により、まず内部に水保有量の少ない外部加湿型燃料電池２が解凍完了して発電可能となる。

次いで、外部加湿型燃料電池２に水素ガス及び空気を供給して発電を開始させ、発電電力でバッテリ３１に電力を供給すると共に、外部加湿型燃料電池２の発電による廃熱で冷却水を加熱することができる。これにより、冷却水加熱の熱源として、電気ヒータ３２に加えて外部加湿型燃料電池２の廃熱が利用できるようになり、内部加湿型燃料電池３の解凍が促進されるという効果がある。

また、外部加湿型燃料電池２の解凍後は、外部加湿型燃料電池２を起動してバッテリ３２が充電可能となるので、バッテリ３２が外部加湿型燃料電池２及び内部加湿型燃料電池３ともに解凍するだけの大電力を貯蔵する必要がなく、バッテリ３２を小型軽量化することができるという効果がある。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。本実施例は、図１に示した実施例１の構成に、冷却水の経路に内部加湿型燃料電池３をバイパスする冷却水バイパス路３５と、内部加湿型燃料電池３を流れる経路と冷却水バイパス路３５とを切り換える切り換え手段として３方弁を用いた流路切換弁３６とを追加した構成である。その他の構成要素は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

次に、本実施例における燃料電池システム１の起動時の制御を説明する。

燃料電池システム１を運転停止状態で零度以下の低温環境に放置した場合、冷却水に不凍液を用いても外部加湿型燃料電池２及び内部加湿型燃料電池３の内部に残留する水分が凍結する。このため、燃料電池システム１の起動時に、流路切換弁３６により冷却水通路として冷却水バイパス路３５を選択し、電気ヒータ３２により冷却水を加熱しながら冷却水ポンプ３３を運転する。

電気ヒータ３２で加熱された冷却水は、流路切換弁３６，冷却水バイパス路３５，冷却水ポンプ３３、外部加湿型燃料電池２の経路で循環する。本実施例においては、水保有量が多く従って解凍に要する熱量が外部加湿型燃料電池２に比べて多い内部加湿型燃料電池３をバイパスして、外部加湿型燃料電池２だけを先に加熱する。これにより、外部加湿型燃料電池２の解凍は、実施例１に比べて短時間に終了する。この解凍が終わると、外部加湿型燃料電池２に水素ガス及び空気を供給して、発電を開始させ、発電電力でバッテリ３１に電力を供給すると共に、外部加湿型燃料電池２の発電による廃熱で冷却水を加熱することができる。これにより、実施例１に比べてバッテリ３１の放電時間が短時間で済み、実施例１に比べて、バッテリ３２をより小型軽量化することができるという効果がある。

また、外部加湿型燃料電池２を発電開始させるとき、流路切換弁３６を冷却水バイパス流路３５から内部加湿型燃料電池３側へ切り換える。これにより、冷却水は、電気ヒータ３２，流路切換弁３６、内部加湿型燃料電池３，冷却水ポンプ３３，外部加湿型燃料電池２という循環経路で循環し、冷却水加熱の熱源として、電気ヒータ３２に加えて外部加湿型燃料電池２の廃熱が利用できるようになり、電気ヒータ３２のみの場合より内部加湿型燃料電池３の解凍が促進される。

図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。本実施例は、図１に示した実施例１の構成に、外部加湿型燃料電池２のアノードオフガスを外部加湿型燃料電池２のアノード入口側へ循環させる第２燃料ガス循環手段として、エゼクタ２５と燃料ガス循環路２２とを追加した構成である。エゼクタ２５は、外部加湿型燃料電池２へ新規に供給する水素ガスを駆動流として、外部加湿型燃料電池２のアノードオフガスを循環させる流体ポンプである。

また、本実施例では、外部加湿型燃料電池２を独立に運転可能とするため、遮断弁２１と、燃料ガス排出路２３と、排出弁２４を設けている。その他の構成要素は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本実施例においては、燃料電池システムの起動時、及び主負荷装置３９から電力要求がない場合に、外部加湿型燃料電池２を単独運転して、燃料電池補機３７や車両補機３８に電力供給が可能となる。

この単独運転時には、遮断弁２１を閉じて、外部加湿型燃料電池のアノードオフガスを燃料ガス排出路１９，燃料ガス循環路２２、エゼクタ２５、燃料ガス供給路１７ｂ、外部加湿型燃料電池２のアノード入口という経路で循環させる。また、調圧弁６を閉じて内部加湿型燃料電池３への水素供給を停止するとともに、コンプレッサ９の駆動を停止して、コンプレッサ９の電力消費を削減することができる。

また上記循環経路に、カソードからアノードでリークした空気中の不活性ガスや液水等の不純物が蓄積すると、排出弁２４を開いて、燃料ガス排出路１９，２３，排出弁２４の経路でアノードオフガスを系外へ排出することができる。

本実施例においては、主負荷装置３９が電力を必要としない場合、例えば燃料電池車両のアクセルオフ等のアイドル時に内部加湿型燃料電池３の発電を停止することができるので、アイドル時の燃費性能を向上させることができるという効果がある。

遮断弁２１を開いて運転すれば、実施例１と同様に、外部加湿型燃料電池２のアノードオフガスを内部加湿型燃料電池３が利用する結合運転となる。この結合運転の詳細は、実施例１で詳述したので、重複する説明は省略する。

図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を説明するシステム構成図である。本実施例は、図３に示した実施例３の構成におけるエゼクタ１５，エゼクタ２５に代えて、それぞれ外部動力により駆動される水素循環ポンプ２７，２６を配置した構成である。エゼクタ１５，２５に代えて、水素循環ポンプ２７，２６を用いると、水素循環ポンプ駆動用動力の損失があるが、エゼクタでは実現できない広い流量範囲における所望の循環流量を得ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を説明するシステム構成図である。 （ａ）内部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図、（ｂ）外部加湿型燃料電池の一例を示す模式断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…外部加湿型燃料電池
３…内部加湿型燃料電池
４…水素タンク
５，６…調圧弁
７…エアフィルタ
８、９…コンプレッサ
１０，１１…加湿器
１２、１３…調圧弁
１４…エゼクタ
１５…エゼクタ
１６…排出弁
１７，１８…燃料ガス供給路
１９…燃料ガス排出路
２０…燃料ガス循環路
３１…バッテリ
３２…電気ヒータ
３３…冷却水ポンプ
３４…冷却水循環路
３７…燃料電池補機
３８…車両補機
３９…主負荷装置

Claims (5)

1. 燃料電池内部で反応ガスに加湿可能な内部加湿型燃料電池と、
   燃料電池内部で反応ガスに加湿しない外部加湿型燃料電池と、
   前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池にそれぞれ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池にそれぞれ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記内部加湿型燃料電池及び前記外部加湿型燃料電池を冷却水で冷却する冷却装置と、
   前記外部加湿型燃料電池の発電電力で充電されるバッテリと、
   該バッテリの電力で前記冷却水を加熱する電気ヒータと、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却水の経路内に、前記内部加湿型燃料電池をバイパスするバイパス経路と、
   前記内部加湿型燃料電池側を流れる冷却水経路と前記バイパス経路とを切り換える切換手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記外部加湿型燃料電池のアノードオフガスが駆動流として入口に供給され、前記内部加湿型燃料電池のアノードオフガスを吸込口から吸い込み、両アノードオフガスの混合流を出口から排出するエゼクタと、
   該エゼクタの出口から排出される混合流を前記内部加湿型燃料電池のアノード入口側に循環させる第１燃料ガス循環手段と、を備え、
   前記外部加湿型燃料電池の運転圧力を前記内部加湿型燃料電池の運転圧力より高めて運転することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記外部加湿型燃料電池のアノードオフガスを該外部加湿型燃料電池のアノードの入口側へ循環させる第２燃料ガス循環手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記外部加湿型燃料電池の負荷装置と、前記内部加湿型燃料電池の負荷装置とは、互いに独立にそれぞれの燃料電池に接続され、前記内部加湿型燃料電池に対する出力要求がない場合には、前記内部加湿型燃料電池の運転を停止し、前記外部加湿型燃料電池のみ運転を行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

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