JP2006147225A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発電開始時に燃料電池を早急に昇温できるようにして、安定した発電始動を迅速に行える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 アノード側の極内ガス通路１０ｂに供給される水素ガスと、カソード側の極内ガス通路１０ｃに供給されるエアを反応させ、それによって燃料電池１の発電を行う。燃料電池１の発電開始前には、極内ガス通路１０ｂに水素ガスとエアを交互に導入することによって触媒電極９ｂ上で局部的な急激な反応を生じさせ、それによって燃料電池を早急に昇温する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池車両等に用いられる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池車両等に搭載される燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させ、この反応の際に生じるエネルギーを直接電気エネルギーとして外部回路から取り出すようになっている。この種の燃料電池は、通常、固体高分子電解質膜の両側にアノード極とカソード極が配置され、アノード極側に燃料ガスとして水素が供給される一方で、カソード極側に酸化剤ガスである酸素を含むエアが供給される。また、アノード極とカソード極には、夫々燃料ガス供給通路と酸化剤ガス供給通路に接続される極内ガス通路が設けられ、燃料電池に供給された反応ガス（水素とエア）がこの各極内ガス通路内において触媒電極に接している。

ところで、この種の燃料電池は発電の安定化を図るために電池内部の温度を設定温度範囲に維持する必要がある。つまり、電池内部の温度は設定温度範囲よりも高過ぎても低過ぎても、発電効率の低下や電解質膜の劣化を招き易くなる。
このため、この種の燃料電池は、放熱器や冷却水通路等の温度調整機器を備え、これらの制御によって電池内部を設定温度範囲内に維持するようになっている。

しかし、このような対策を施しても低温環境下で燃料電池を始動させる場合には、燃料電池内部の温度が充分に上昇しなければ安定した発電を開始することができないため、暖気の準備のための時間が長くなることが問題となる。
このため、これに対処するものとして、例えば、特許文献１に記載されるような燃料電池システムが開発されている。

この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを混合する混合器をシステム内に備え、低温始動時には、混合器で混合したガスを燃料電池の極内ガス通路に供給することによって混合ガスを触媒電極上で反応させ、それによって内部温度を上昇させるようになっている。
特開２００３−１４２１３４号公報

しかしながら、この従来の燃料電池システムにおいては、燃料ガスと酸化剤ガスを混合器内で混合した後にその混合ガスを極内ガス通路内の触媒電極に供給するものであるため、触媒電極上での酸化還元反応が比較的緩やかに起こる。このため、周囲の放熱環境等によっては昇温時間を大きく短縮することが難しい場合がある。

そこでこの発明は、発電開始時に燃料電池を早急に昇温できるようにして、安定した発電始動を迅速に行える燃料電池システムを提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、アノード極（例えば、後述の実施形態におけるアノード極１ｂ）内の触媒電極（例えば、後述の実施形態における触媒電極９ｂ）に臨むアノード側の極内ガス通路（例えば、後述の実施形態における極内ガス通路１０ｂ）と、カソード極（例えば、後述の実施形態におけるカソード極９ｃ）内の触媒電極（例えば、後述の実施形態における触媒電極９ｃ）に臨むカソード側の極内ガス通路（例えば、後述の実施形態における極内ガス通路１０ｃ）とを有し、前記アノード側の極内ガス通路に供給される燃料ガスとカソード側の極内ガス通路に供給される酸化剤ガスを反応させることによって発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電開始前に、前記アノード側とカソード側の極内ガス通路のうちの少なくとも一方に燃料ガスと酸化剤ガスを交互に導入する交互導入手段（例えば、後述の実施形態における水素タンク４、開閉バルブ５、コンプレッサ８、エア導入バルブ２１、コントローラの制御部等）を設けるようにした。

この発明の場合、燃料電池の発電開始前に、交互導入手段によって極内ガス通路に燃料ガスと酸化剤ガスが交互に導入されると、燃料ガスと酸化剤ガスが触媒電極上で局部的に激しく反応し、このとき発生する反応熱が燃料電池を急激に昇温させる。即ち、燃料ガスと酸化剤ガスが交互に導入されると、燃料ガスと酸化剤ガスが密度の高い状態で触媒電極に接することになり、そこで酸化還元反応が急激に起こって大きな熱が発生する。

また、請求項２に記載の発明は、前記アノード側の極内ガス通路に燃料ガスを供給する燃料ガス用の主通路（例えば、後述の実施形態における燃料ガス供給通路）と、前記カソード側の極内ガス通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス用の主通路（例えば、後述の実施形態における酸化剤ガス供給通路）と、前記一方の主通路から分岐して他方の主通路に合流接続されるガス導入路（例えば、後述の実施形態におけるエア導入路）と、を備えた請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記交互導入手段が、前記ガス導入路と前記他方の主通路を介して、前記極内ガス通路に燃料ガスと酸化剤ガスを交互に導入するようにした。

この場合、一方の主通路から分岐したガス導入通路と他方の主通路を利用して極内ガス通路に燃料ガスと酸化剤ガスを交互に導入するため、専用のガス供給手段を設置することなく交互導入手段を構成することが可能になる。

請求項１に記載の発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスを触媒電極上で局部的に激しく反応させて急激な昇温を得ることができるため、安定した発電始動を迅速に行うことが可能になる。
また、従来のもののように燃料ガスと酸化剤ガスを混合するための混合器を設ける必要がないため、システムの構成を簡素化することができる。

また、請求項２に記載の発明によると、専用のガス供給手段を設けることなく交互導入手段を構成することができるため、システム全体のコンパクト化と、製造コストの低減を図ることが可能になる。

以下、この発明の一実施形態を、図１〜図３を参照して説明する。なお、以下で説明する実施形態は、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの態様である。

図１は、この発明にかかる燃料電池システムの全体構成図である。
同図に示すように、燃料電池１は、固体ポリマーイオン交換膜等から成る固体高分子電解質膜１ａ（以下、「電解質膜１ａ」と呼ぶ。）をアノード極１ｂとカソード極１ｃで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層したスタックによって構成されている（同図では、模式的に単セルとして描かれている）。

アノード極１ｂとカソード極１ｃは夫々触媒電極９ｂ，９ｃに臨む極内ガス通路１０ｂ，１０ｃを有し、各極内ガス通路１０ｂ，１０ｃに供給された反応ガスが触媒電極９ｂ，９ｃと電解質膜１ａを通して電気化学反応を起こすようになっている。この実施形態の場合、アノード側の極内ガス通路１０ｂには燃料ガスとして水素ガスが供給され、カソード側の極内ガス通路１０ｃには酸化剤ガスとして酸素を含むエアが供給される。
この燃料電池１では、アノード側の極内ガス通路１０ｂに水素ガスが供給されると、触媒電極９ｂ上で発生した水素イオンが電解質膜１ａを通過してカソード極１ｃまで移動し、その水素イオンがカソード側の触媒電極９ｃにおいてエア中の酸素と反応し、このとき水が生成されると共に外部回路から電気が取り出される。

アノード側の極内ガス通路１０ｂの入口側には、水素ガスを供給するための燃料ガス供給通路２（燃料ガス用の主通路）が接続され、カソード側の極内ガス通路１０ｃの入口側には、エアを供給するための酸化剤ガス供給通路３（酸化剤ガス用の主通路）が接続されている。

燃料ガス供給通路２の上流側には、水素ガスを貯蔵する水素タンク４が開閉バルブ５を介して接続されている。開閉バルブ５は図示しないコントローラによって開閉制御され、同開閉バルブ５の開作動によって水素ガスを水素タンク４からアノード極１ｂ側に供給し得るようになっている。

また、アノード側の極内ガス通路１０ｃの出口側には、アノード極１ｂ内を通過した未反応の水素ガスを再度アノード極１ｂに戻すための燃料ガス循環通路６が接続されている。この燃料ガス循環通路６は、アノード極１ｂの入口側においてエゼクタ７を介して燃料ガス供給通路２に合流接続され、未反応の水素ガスを新鮮な水素と混合してアノード極１ｂに再供給する。

また、燃料ガス循環通路６には、水等の不純物を含む内部のガスを適宜システム外部に排出するための燃料ガス排出通路１１が分岐して設けられている。この燃料ガス排出通路１１にはガス排出バルブ１２が介装され、このガス排出バルブ１２を開くことによって燃料ガス循環通路６内のガスを適宜外部に排出し得るようになっている。このガス排出バルブ１２は図示しないコントローラによって制御される。

一方、酸化剤ガス供給通路３の上流側には、エアを加圧し圧送するコンプレッサ８が接続されている。また、カソード側の極内ガス通路１０ｃの出口側には、カソード極１ｃを通過したエアを外部に排出するための酸化剤ガス排出通路１６が接続されている。この酸化剤ガス排出通路１６にはカソード極１ｃの内圧を調整するため背圧制御バルブ１７が介装されている。

また、この燃料電池システムにおいては、酸化剤ガス供給通路３から分岐して燃料ガス供給通路２のエゼクタ７の下流側に合流接続されるエア導入路２０（ガス導入路）が設けられている。このエア導入路２０には、図示しないコントローラによって開閉制御されるエア導入バルブ２１が介装され、このエア導入バルブ２１を開くことによって、コンプレッサ８から圧送されたエアをアノード側の極内ガス通路１０ｂに直接導入し得るようになっている。

エア導入バルブ２１は、燃料電池１の始動開始直前に、コントローラによる制御によって開閉バルブ５と交互に開かれ、それによって水素ガスとエアをアノード側の極内ガス通路１０ｂに交互に導入する。なお、このとき、燃料ガス排出通路１１のガス排出バルブ１２はコントローラによる制御によってエア導入バルブ２１と同期して開閉制御される。この実施形態においては、水素タンク４、コンプレッサ８、開閉バルブ５、エア導入バルブ２０、ガス排出バルブ１２等が、これらを制御するコントローラの制御部と共に、この発明における交互導入手段を構成している。

また、燃料電池１には車両のラジエータ２２に接続される冷却水通路２３が設けられ、コントローラによる制御によってこの冷却水通路２３の流量が制御されるようになっている。冷却水通路２３には水温センサ２４が設けられている。

次に、燃料電池車両を始動する際の燃料電池システムの制御について、図３のタイミングチャートを参照しつつ、図２のフローチャートに従って説明する。

コントローラでは、イグニッションスイッチがＯＮにされると、ステップ１０１において、まず、図示しない外気温センサ等の検出値に基づいて燃料電池１の暖気が必要であるかを判断し、暖気の必要がない場合には、ＯＣＶチェック（回路内の電圧チェック）等を行ってそのまま燃料電池１の発電を開始し、暖気の必要がある場合には、次のステップ１０２へと進む。

ステップ１０２では、コンプレッサ８を作動させる共にラジエータ２２から冷却水通路２３に冷却水を流し、その状態において開閉バルブ５と、エア導入バルブ２０及びガス排出バルブ１２を交互に開くことによって水素ガスとエアをアノード側の極内ガス通路１０ｂに交互に導入する。こうして、極内ガス通路１０ｂ内に水素ガスとエアが交互に導入されると、水素と酸素が密度の高い状態でアノード側の触媒電極９ｂに接触することとなり、このとき、触媒電極９ｂ上で局部的に激しい触媒反応が起こり、アノード極１ｂを中心にして燃料電池１全体が急激に昇温されるようになる。そして、アノード極１ｂでこのような反応が続けられると、図３に示すようにスタック水温（燃料電池１を流れる冷却水の水温）が次第に上昇する。

つづくステップ１０３においては、水温センサ２４の検出信号を基にして燃料電池１の温度を監視し、冷却水の温度が設定温度に達するまでは、ステップ１０２による水素ガスとエアの交互導入を続ける。そして、ステップ１０３において、冷却水温度が設定値以上になったと判断されると、開閉バルブ５とエア導入バルブ２０、ガス排出バルブ１２をすべて閉じ、水素ガスとエアの交互導入を終了すると共に、ＯＣＶチェック（回路内の電圧チェック）等を行って燃料電池１の発電を開始する。

以上のようにこの燃料電池システムにおいては、冷寒時等の暖気運転を必要とする条件下でイグニッションスイッチがＯＮにされた場合に、極内ガス通路１０ｂに水素ガスとエアを交互導入することによって大きな反応熱を発生させることができるため、燃料電池１、特に触媒電極９ｂを急激に昇温させることによって安定した発電始動を迅速に行うことが可能になる。つまり、触媒電極９ｂは急激に昇温されることで活性化されるため、その後の発電開始時の反応は安定して行われることとなる。

また、この実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１に流す冷却水の温度を監視し、その温度が設定温度に達したところで水素ガスとエアの交互導入を停止するため、触媒電極１が高温になり過ぎることによる触媒電極９ｂ，９ｃや電解質膜１ａの劣化や損傷を未然に防止することができる。

なお、この実施形態においては、アノード側の極内ガス通路１０ｂに水素ガスとエアを交互に導入するようにしているが、カソード側の極内ガス通路１０ｃに水素ガスとエアを交互に導入するようにしても良い。また、アノード側とカソード側の両方の極内ガス通路１０ｂ，１０ｃに水素ガスとエアを交互に導入するようにしても良い。

また、上述した実施形態においては、酸化剤ガス供給通路３から分岐して燃料ガス供給通路２に接続されるエア導入路２０を設け、燃料ガス供給通路３とこのエア導入路２０を交互に開くことによって水素ガスとエアの交互導入を行うようにしているが、酸化剤ガス供給通路３から分岐するエア導入路２０を設けずに、交互導入専用のエア供給手段を設けるようにしても良い。ただし、上述の実施形態のように酸化剤ガス供給通路３から分岐するエア導入路２０を設けるようにした場合には、構成機器数を削減してシステム全体のコンパクト化と製造コストの低減を図ることができる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば、以上の実施形態は、燃料電池車両にこの発明にかかる燃料電池システムを適用したものであるが、この発明は燃料電池車両以外の機器に適用することも可能である。

この発明の一実施形態を示す燃料電池システムの概略構成図。 同実施形態における処理内容の一部を示すフローチャート。 同実施形態における各種バルブ類の作動状態と、発電状態、スタック水温、スタック冷却水流量等のシステム状態の変化を示すタイミングチャート。

符号の説明

１…燃料タンク １ｂ…アノード極 １ｃ…カソード極 ２…燃料ガス供給通路（燃料ガス用の主通路） ３…酸化剤ガス供給通路（酸化剤ガス用の主通路） ４…水素タンク（交互導入手段） ５…開閉バルブ（交互導入手段） ８…コンプレッサ（交互導入手段） ９ｂ，９ｃ…触媒電極 １０ｂ，１０ｃ…極内ガス通路 ２０…エア導入路（ガス導入路） ２１…エア導入バルブ（交互導入手段）

Claims (2)

1. アノード極内の触媒電極に臨むアノード側の極内ガス通路と、カソード極内の触媒電極に臨むカソード側の極内ガス通路とを有し、前記アノード側の極内ガス通路に供給される燃料ガスとカソード側の極内ガス通路に供給される酸化剤ガスを反応させることによって発電を行う燃料電池システムにおいて、
   燃料電池の発電開始前に、前記アノード側とカソード側の極内ガス通路のうちの少なくとも一方に燃料ガスと酸化剤ガスを交互に導入する交互導入手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記アノード側の極内ガス通路に燃料ガスを供給する燃料ガス用の主通路と、
   前記カソード側の極内ガス通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス用の主通路と、
   前記一方の主通路から分岐して他方の主通路に合流接続されるガス導入路と、を備えた請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記交互導入手段は、前記ガス導入路と前記他方の主通路を介して、前記極内ガス通路に燃料ガスと酸化剤ガスを交互に導入することを特徴とする燃料電池システム。
   
   

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