JP2006139991A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料電池スタック100と、冷却系と、冷却系を加熱する冷媒加熱装置1とを備える燃料電池システムにおいて、冷媒加熱装置1を以下の構成とする。冷媒加熱装置1を、発熱部2、熱交換部3、ガス混合室4により構成し、さらに、発熱部2を、通電発熱体2aと触媒体2bとが積層された構造とする。このように、1つの発熱部2が、通電発熱体2aと触媒体2bとを備える構成とする。これにより、専用ブロア10、熱交換器3という必要な構成部を共通して使用することができるので、構成部の数を削減でき、燃料電池システムの省スペース化が可能となる。
【選択図】 図1
Description
図1に、本発明の第1実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。本実施形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例として説明する。
水素極(アノード)H2→2H++2e−
空気極(カソード)2H++1/2O2+2e−→H2O
全体 H2+1/2O2→H2O
燃料電池スタック100には、燃料電池スタック100に空気を供給するための燃料電池用空気供給経路112を介して、エアコンプレッサ103が接続されている。また、燃料電池スタック100には、空気排出経路113が接続されている。そして、エアコンプレッサ103により、燃料としての空気が燃料電池スタック100に供給され、燃料電池スタック100から供給された空気のうちの発電(起電反応)に使用されなかった分であるオフ空気が排出されるようになっている。
冷媒加熱装置用水素ガス供給経路21の第2の水素遮断弁22が開けられる。そして、専用ブロア10および燃料供給手段20により冷媒加熱装置1のガス混合室4に所定量の空気と水素ガスが供給される。これにより、ガス混合室4に水素ガスと空気の混合ガスが生成され、この混合ガスが発熱部2の触媒体2bに供給される。
図5、6に本発明の第2実施形態の第1、第2の例における燃料電池システム中の発熱部2を示す。発熱部2としては、第1実施形態で説明した通電発熱体2aと触媒体2bとが積層されたものの他に、図5、6に示すような通電加熱型触媒体(EHC)を用いることができる。
図7に、本発明の第3実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。本実施形態は、図1に示す燃料電池システムに対して、冷媒バイバス経路34と冷媒循環切替弁33とを設けた構成であり、他の構成部は図1に示すシステムと同様である。
図8に、本発明の第4実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。本実施形態は、図1に示す燃料電池システムに対して、充電状態検出手段(蓄電状態検出手段)42を設けた構成のものであり、他の構成部は図1に示すシステムと同様である。
図9に、本発明の第5実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。本実施形態は、図8に示す燃料電池システムに対して、水素ガス排出経路115の代わりにオフ燃料ガス供給経路としてのオフ水素供給経路23を設けた構成のものであり、他の構成部は図8に示すシステムと同様である。
図10に、本発明の第6実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。本実施形態は、図9に示す燃料電池システムに対して、オフ空気供給経路11、オフ空気供給量調整手段としての3方ロータリ弁12を設けた構成のものであり、他の構成部は図9に示すシステムと同様である。オフ空気供給経路11が本発明の空気供給手段に相当する。
図11に、本発明の第7実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。本実施形態は、図10に示す燃料電池システムに対して、冷媒加熱装置1の内部にガス温度検出手段としての温度センサ43を設けた構成のものであり、他の構成部は図10に示すシステムと同様である。
図12に、本発明の第8実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す。本実施形態は、図11に示す燃料電池システムに対して、冷媒加熱装置1の内部にガス濃度検出手段としての水素濃度センサ44を設けた構成のものであり、他の構成部は図11に示すシステムと同様である。
(1)上記した各実施形態では、熱交換部3として、いわゆるコンパクト熱交換器を用いる場合を例として説明したが、その他に、2重管熱交換器、シェルアンドチューブ熱交換器、管熱交換器などを用いることもできる。
2…発熱部
2a…通電発熱体
2b…触媒体
3…熱交換器
3a…フィン
3b…チューブ
3c…ガス経路
3d…熱媒体経路
4…混合室
10…空気供給手段
11…オフ空気供給経路
12…3方ロータリ弁
20…燃料ガス供給手段
21…燃料ガス供給経路
22…第2の水素遮断弁22
23…オフ水素供給経路
24…気液分離器
25…オフ水素供給遮断弁
30…冷媒循環経路
31…冷媒循環ポンプ
32…温度センサ
40…コントロールユニット
41…供給電力制御回路
42…充電状態検出手段
43…温度センサ
44…水素濃度センサ
100…燃料電池スタック
101…2次電池
102…走行用モータ
103…エアコンプレッサ
104…高圧水素タンク
105…放熱器
106…冷却ファン
107…水素レギュレータ
108…水素遮断弁
110…DC-DCコンバータ
111…インバータ
Claims (13)
- 燃料電池(100)と、
前記燃料電池(100)に熱媒体を供給する熱媒体供給経路(30)と、
前記熱媒体を加熱する加熱手段(1)とを備え、
前記加熱手段(1)は、発熱することで高温ガスを生成する高温ガス生成手段(2)と、前記高温ガス生成手段(2)で生成された高温ガスと前記熱媒体との熱を交換することで、前記熱媒体を加熱する熱交換手段(3)とを有している燃料電池システムであって、
前記高温ガス生成手段(2)に空気を供給する空気供給手段(10、11)と、
前記高温ガス生成手段(2)に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段(104、21)と、
前記燃料電池(100)が生成した電力の前記高温ガス生成手段(2)への供給を制御する電力供給制御手段(41)とを備え、
前記高温ガス生成手段(2)は、通電により発熱する通電発熱部(2a)と、触媒燃焼を行う触媒燃焼部(2b)とから構成されており、
前記高温ガス生成手段(2)は、前記電力供給制御手段(41)を介して供給された電力で前記通電発熱部(2a)を発熱させ、当該熱により、前記空気供給手段(10、11)から供給された空気を加熱することで高温ガスを生成する機能と、前記燃料ガス供給手段(104、21)により供給された燃料ガスと、前記空気供給手段(10、11)により供給された空気とを、前記触媒燃焼部(2b)で燃焼させることで、高温ガスを生成する機能とを併せ持つことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記高温ガス生成手段(2)は、前記通電発熱部(2a)と、前記触媒燃焼部(2b)が積層された構成であり、前記空気供給手段から供給された空気が、前記通電発熱部(2a)および前記触媒燃焼部(2b)の両方を通過するようになってい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。
- 前記触媒燃焼部(2b)は、波板形状の耐熱材料(2c)の表面に触媒が担持された構造であることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記高温ガス生成手段(2)は、触媒を担持する触媒担体(2e、2g)が通電により発熱する材料により構成されており、前記高温ガス生成手段(2)は、前記通電発熱部(2a)と前記触媒燃焼部(2b)とが一体となった構成であ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。
- 前記燃料電池(100)は、起電反応に使用される燃料ガスが供給され、かつ、前記燃料ガスのうちの未反応分であるオフ燃料ガスを排出するようになっており、
前記オフ燃料ガスを前記高温ガス生成手段(2)に供給するオフ燃料ガス供給経路(23)を備えることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池(100)は、起電反応に使用される空気が供給され、かつ、前記空気のうちの未反応分であるオフ空気が排出されるようになっており、
前記空気供給手段として、前記オフ空気を前記高温ガス生成手段(2)に供給するオフ空気供給経路(11)と、前記高温ガス生成手段(2)に空気を供給する前記高温ガス生成手段(2)専用の空気供給手段(10)とを備えることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 電力を蓄電する蓄電池(101)と、
前記蓄電池(101)の蓄電状態を検出する蓄電状態検出手段(42)とを備え、
前記電力供給制御手段(41)は、前記蓄電状態検出手段(42)の検出結果に応じて、前記蓄電池(101)に供給される電力を、前記通電発熱部(2a)に供給するようになっていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の燃料電池システム。 - 前記電力供給制御手段(41)が、前記蓄電状態検出手段(42)の検出結果に応じて、前記燃料電池(100)が生成した電力を前記通電発熱部(2a)に供給する場合に、その供給する電力量に応じて、前記空気供給手段(10、11)による空気の供給量を調整する制御を行う第1の制御手段(40)を有することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
- 前記空気供給手段のとして前記オフ空気供給経路(11)が用いられている場合、前記オフ空気供給経路(11)に設けられ、前記オフ空気の供給量を調整する前記オフ空気供給量調整手段(12)を有しており、
前記第1の制御手段(40)は、前記オフ空気供給量調整手段(12)による前記オフ空気の供給量の調整を制御するようになっていることを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。 - 前記高温ガス生成手段(2)で発生した高温ガスの温度を検出し、検出結果を前記第1の制御手段(40)に出力するガス温度検出手段(43)を有し、
前記第1の制御手段(40)は、前記ガス温度検出手段(43)による検出温度が所定温度よりも低い場合は、前記オフ空気供給量調整手段(11)のみを制御することで、前記高温ガス生成手段(2)に前記オフ空気のみを供給し、前記ガス温度検出手段(43)による検出温度が所定温度よりも高い場合は、前記オフ空気供給量調整手段(11)に加えて、前記専用の空気供給手段(10、11)を制御することで、前記高温ガス生成手段(2)に、前記オフ空気に加えて、前記専用の空気供給手段からも空気を供給するようになっていることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。 - 前記オフ燃料ガス供給経路(23)を介して、前記高温ガス生成手段(2)にオフ燃料ガスを供給する場合では、前記電力供給制御手段(41)を介して前記通電発熱部(2a)に電力を供給して、前記通電発熱部(2a)を発熱させる制御、もしくは、前記燃料ガス供給手段(104、21)から燃料ガスを前記触媒燃焼部(2b)に供給する制御の少なくともどちらか一方を行う第2の制御手段(40)を有することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
- 前記高温ガス生成手段(2)で生成された高温ガスの温度を検出し、検出結果を前記第2の制御手段(40)に出力するガス温度検出手段(43)を有し、
前記第2の制御手段(40)は、前記ガス温度検出手段(43)の検出温度が所定の温度よりも低い場合に、前記制御を行うようになっていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池システム。 - 前記高温ガス生成手段(2)から排出されるガス中の燃料ガス濃度を検出し、検出結果を第2の制御手段(40)に出力するガス濃度検出手段(44)を有し、
前記第2の制御手段(40)は、前記ガス濃度検出手段(44)が検出した燃料ガス濃度が所定濃度よりも高い場合に、前記制御を行うようになっていることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池システム。
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