JP2006147315A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 システム停止時においても燃料電池を保温できるだけでなく、省エネルギ化かつ高エネルギ効率を実現した燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池２と、燃料電池２に接続されて冷却液を燃料電池２に循環させる冷却系３と、冷却系３に接続されると共に、燃料電池２の下部に接続して配置された蓄熱器４と、を備え、運転中に蓄熱器４に蓄熱した熱を冷却液に放熱して、温めた冷却液を燃料電池２の冷却液流路内７を対流の作用により循環させて、燃料電池２を基準温度よりも高い温度にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、寒冷地等の低温環境下での使用に適した燃料電池システムに関する。

燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの１つである固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する固体高分子電解質膜を使用して、固体高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子型燃料電池の作動温度は、一般に７０℃〜８０℃の範囲であり、燃料電池の運転中の温度上昇を抑えて作動温度に維持するために、燃料電池に冷却水を循環させる冷却系を備えた燃料電池システムが開発されている。

冷却系は、燃料電池に接続された冷却水循環流路と、冷却水を循環させる駆動力となる冷却水ポンプと、燃料電池から排出された冷却水の有する熱量を外気に放熱して冷却する放熱器（ラジエータ）と、から構成される。

燃料電池システムの運転中には、冷却水が冷却水循環流路を循環して燃料電池の温度上昇を抑えて冷却液として機能するが、低温環境下に晒された燃料電池システムの運転が停止すると、冷却水が凍結して燃料電池を破損してしまうという不都合が生じていた。

そこで、燃料電池システムの停止時に、別途、燃料を燃焼又は反応させることにより生じた熱量を利用して燃料電池システムを低温から起動可能とした燃料電池システムが開発されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

また、前述した特許文献２記載の発明では、システム全体を断熱材により被覆し、燃料電池本体と水タンクの残熱及び蓄熱材層を備えた熱交換器を熱源として利用して、燃料電池システムの運転停止時の保温をしている。
特開２００１−１１８５９３号公報 特開２００３−１５１５９５号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでの冷却水の循環は、冷却水ポンプを駆動力としていたため、燃料電池システムの運転停止後は冷却水ポンプが停止し、冷却水を循環させることができなかった。

また、特許文献１及び特許文献２記載の発明では、燃料電池システム外又は燃料電池システムに供給する燃料を利用して、燃料電池の保温又は加温をしていたため、保温又は加温に必要とされるエネルギ量が大きくなっていた。

さらに、特許文献１記載の発明では、燃料電池システム停止時の保温を断熱材層内の空気層を介して行っていたため、燃料電池を直接加温する場合に比べて熱損失が大きく、エネルギ効率が悪くなっていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、本発明の燃料電池システムは、水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、燃料電池に接続されて冷却液を燃料電池に循環させる冷却系と、冷却系に接続されると共に、燃料電池の下部に接続して配置された蓄熱器と、を備え、運転中に蓄熱器に蓄熱した熱を冷却液に放熱して、温めた冷却液を燃料電池の冷却液流路内を対流の作用により循環させて、燃料電池を基準温度よりも高い温度にすることを要旨とする。

本発明の燃料電池システムによれば、システム停止時でも燃料電池を保温できるだけでなく、システム内のエネルギを有効利用して省エネルギ化を図り、かつエネルギ効率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて、図１から図６までに基づき説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの基本的な構成を模式的に示す図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に接続して配置された冷却系３と、を備える。燃料電池２の下部には蓄熱器４が設置され、蓄熱器４は、冷却系３から分岐して接続されると共に燃料電池２に連結している。また、燃料電池システム１には制御装置５が設けられ、蓄熱器４から燃料電池２に供給する冷却液の流量を制御している。なお、本実施形態では、冷却液として冷却水を使用した例を挙げて説明する。さらに、燃料電池システム１には、制御装置５と後述するラジエータを除くシステム全体を被覆する断熱材６が設けられている。

燃料電池２は、図示しないが発電の基本単位である単位セルから構成されており、単セル内には湾曲構造の冷却水流路７が形成されており、冷却水流路７に冷却水を流通させて燃料電池２内部に冷却水を循環させている。冷却水流路７は湾曲構造であるため、冷却水流路７を直線的に構成した場合に比べて流路長が長くなるため、冷却水からの受熱と放熱とを効率的に行うことができる。以下において説明するが、燃料電池２は、システムの運転停止中に低温環境下に晒された場合、冷却水が凍結することがないように、蓄熱器４から供給される加温された冷却水を流通させて、冷却水の熱量を受熱して加温される。

蓄熱器４は、冷却水から受熱して熱量を蓄熱し、蓄熱した熱量を再び冷却水に放出して、冷却水が氷点温度となる前に、燃料電池２に加温した冷却水を供給して、燃料電池２を加温する装置である。蓄熱器４の内部には冷却水を循環させる冷却水流路８が形成されており、冷却水流路８は、燃料電池２内部の冷却水流路７と同様に湾曲構造であり、燃料電池２内部の冷却水流路７と同様に、冷却水からの受熱と放熱とを効率的に行うことができる。一方、蓄熱器４の外周は断熱材層９により被覆されている。蓄熱器４の外周を断熱材層９により被覆すると、特に低温環境下での放熱が抑制されて、蓄熱器４に蓄熱した熱量が外部に放出され難くなり、燃料電池システム１を長時間保温することができる。

図１に示すように、燃料電池２内部の冷却水流路７と蓄熱器４内部の冷却水流路８とは垂直方向に配置され、燃料電池２と蓄熱器４との間には二方弁１０が設けられている。二方弁１０が開くと、蓄熱器４により加温された冷却水は、対流の作用により、上方の燃料電池２内の冷却水流路８を流れて垂直方向に上昇し、燃料電池２を保温し、さらに冷却系３を循環する。また、冷却水を用いて燃料電池２を直接加温するため、空気を介して加温する場合と比べて、効率良く加温することができる。

冷却系３は、両端が燃料電池２に接続されて冷却水を循環させる冷却水循環流路１１が設置されており、冷却水循環流路１１には、燃料電池２の後流側から順番に、温度センサ１２と、冷却水ポンプ１３と、ラジエータ１４と、が設置されている。冷却水ポンプ１３の上流側及び後流側の冷却水循環流路１１には、冷却水ポンプ１３を迂回する冷却水ポンプ迂回流路１５が形成されており、冷却水循環流路１１と冷却水ポンプ迂回流路１５との接続部に各々三方弁１６,１７が設置されている。ラジエータ１４の上流側と後流側には、各々蓄熱器４に分岐する分岐流路１８,１９が接続されており、冷却水循環流路１１と各分岐流路１８,１９との接続部に三方弁２０,２１が設置されている。さらに、分岐流路１８には、燃料電池２に連結される蓄熱器迂回流路２２が分岐して接続されており、分岐点に三方弁２３が設置されている。また、三方弁２１にも燃料電池２に連結される蓄熱器迂回流路２４が分岐して接続されている。

制御装置５は、冷却系３の温度センサ１２から検出された冷却水の温度情報を受信し、受信した冷却水の温度情報に基づき、冷却水の温度が氷点温度となる前に、蓄熱器４後流側の二方弁１０に弁開閉の制御信号を送信し、蓄熱器４から燃料電池２に供給する冷却水の流量を制御する。この結果、冷却水が凍結する前に、燃料電池２を保温することができる。また、二方弁１０の開閉を制御することにより、燃料電池２の保温に必要な最小限の熱量だけを燃料電池２に供給することができる。なお、本実施形態では、冷却液として冷却水を使用したが、冷却水に限定されるものではなく、例えば、エチレングリコール等を使用することもできる。エチレングリコールを使用した場合には、基準温度はエチレングリコールの凝固温度を設定すれば良い。なお、冷却液中には、通常防錆剤等の添加剤が含まれるため、添加剤の混合による凝固温度を考慮して基準温度を設置すると良い。

次に、図１に示した燃料電池システム１での動作について図２から図６までに基づき説明する。

図２は、燃料電池システム１の運転中に、蓄熱器４において蓄熱を開始した状態を示す構成図である。図２に示すように、燃料電池２から排出された高温の冷却水aは、冷却水ポンプ１３の駆動力により冷却水循環流路１１を流通し、三方弁２０から分岐した分岐流路１８を流れて蓄熱器４に導入される。冷却水aは、湾曲構造の冷却水流路８を流れて、冷却水aの有する熱量が放熱されて、放熱された熱が蓄熱器４に蓄熱される。その後、放熱した冷却水aは、燃料電池２内に導入されて、湾曲構造の冷却水流路７を流通して、燃料電池２から排出される。

蓄熱器４において蓄熱が開始されると、図３に示すように、燃料電池２から排出された冷却水bは、冷却水循環流路１１を流通してラジエータ１４に導入された後、三方弁２１から分岐した分岐流路１９を流れて蓄熱器４に導入される。冷却水bは、冷却水流路８を流通した後、燃料電池２内に導入されて冷却水流路７を流れ、再度、燃料電池２から排出される。

その後、蓄熱器４本体に十分蓄熱されると、図４に示すように、燃料電池２から排出された冷却水cは、冷却水ポンプ１３の駆動力により冷却水循環流路１１を流通してラジエータ１４に導入された後、蓄熱器４に導入されることなく蓄熱器迂回流路２４を介して直接燃料電池２の内部に導入され、燃料電池２内部の冷却水流路７を流れる。

燃料電池システム１の運転を停止すると、燃料電池２から排出される冷却水の温度が、温度センサ１２により検出される。制御装置５には、予め基準温度（氷点温度）が設定されており、温度センサ１２から検出された冷却水の温度情報に基づき、冷却水の温度が氷点下に近づいたと制御装置５により判定されると、制御装置５から弁を開く制御信号が二方弁１０に送信されて、蓄熱器４から燃料電池２に加温した冷却水dが導入される。燃料電池２に導入された冷却水dは、冷却水流路７を流れて燃料電池２を加温した後、燃料電池２から排出されて、図５に示すように、三方弁１６から分岐した冷却水ポンプ迂回流路１５を流通して冷却水循環流路１１を循環する。その後、冷却水dは、三方弁２０から分岐した分岐流路１８を流れて蓄熱器４に導入される。導入された冷却水dは、蓄熱器４内部の冷却水流路８を流れ、蓄熱器４から受熱して加温される。その後、加温された冷却水dは、対流の作用により燃料電池２内部の冷却水流路７を流れて、冷却水ポンプ１３の停止中においても、冷却水循環流路１１を循環し、燃料電池システム１を保温する。

燃料電池システム１の運転を開始すると、図６に示すように、燃料電池２から排出された冷却水eは、冷却水ポンプ１３の駆動力により冷却水循環流路１１を流通し、三方弁２３から分岐した蓄熱器迂回流路２２を通り、蓄熱器４を迂回して直接燃料電池２内に導入される。

本実施形態によれば、蓄熱器で加温した冷却水を対流により燃料電池の冷却水流路に流通させて、冷却水循環流路に冷却水を循環させているため、燃料電池システムの停止後にも動力を必要とせず燃料電池を保温することができる。
また、本実施形態によれば、蓄熱器に貯えた熱を利用してシステム内の熱量を有効活用して燃料電池を常に保温することができるため、エネルギ源を別途設ける必要が無くなる。この結果、燃料電池システム全体で消費されるエネルギ量が減少し、省エネルギ化を実現することができる。

さらに、本実施形態によれば、蓄熱器から受熱して加温された冷却水を燃料電池に供給して、直接燃料電池を保温又は加温するため、熱損失を防止することができ、エネルギ効率が高まる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの基本的な構成を模式的に示す図である。 燃料電池システムの運転中に蓄熱器での蓄熱が開始されたときの冷却水の流れを示す図である。 燃料電池システムの運転中に蓄熱器において蓄熱をしているときの冷却水の流れを示す図である。 燃料電池システム運転中に蓄熱器本体に十分蓄熱されたときの冷却水の流れを示す図である。 燃料電池システムを停止して燃料電池システムを保温している状態の冷却水の流れを示す図である。 燃料電池システムの運転を開始したときの冷却水の流れを示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…冷却系
４…蓄熱器
５…制御装置
６…断熱材
７、８…冷却水流路
９…断熱材層
１０…二方弁
１１…冷却水循環流路
１２…温度センサ
１３…冷却水ポンプ
１４…ラジエータ
１５…冷却水ポンプ迂回流路
１６、１７、２０、２１、２３…弁
１８、１９…分岐流路
２２、２４…蓄熱器迂回流路

Claims (6)

1. 水素ガスと酸素ガスとを電気化学的に反応させて電力を得る燃料電池と、
   前記燃料電池に接続されて冷却液を前記燃料電池に循環させる冷却系と、
   前記冷却系に接続されると共に、前記燃料電池の下部に接続して配置された蓄熱器と、を備え、
   運転中に前記蓄熱器に蓄熱した熱を前記冷却液に放熱して、温めた冷却液を前記燃料電池の冷却液流路内を対流の作用により循環させて、前記燃料電池を基準温度よりも高い温度にすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池を構成する各単セル内の冷却液流路と、前記蓄熱器内の冷却液流路と、を垂直方向に配置し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. 前記冷却液流路は、湾曲構造を有す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. 前記燃料電池と前記蓄熱器との間に設置された冷却液流量制御弁と、
   前記燃料電池の後流側の冷却液流路に設置された温度センサと、
   前記温度センサから検出された冷却液の温度情報に基づいて、前記冷却液流量制御弁の開閉を制御する制御信号を送信し、前記蓄熱器から前記燃料電池に循環させる冷却液の流量を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記蓄熱器は、外周面が断熱材層により被覆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。
6. 前記冷却液は冷却水であり、前記燃料電池の基準温度は氷点温度であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
   
   

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