JP2006147400A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの発電電力を蓄電池に充電することなく、低温時からの起動の際も通常時と同じ時間で燃料電池スタックの起動を開始する。
【解決手段】燃料電池スタック２は、燃料電池スタック２を挟持する一対の集電板３と、一対の集電板３を挟持する絶縁板５と、集電板３と絶縁板５の間に配設され、集電板３と絶縁板５間の温度差によるゼーベック効果を利用して発電する熱電素子４を備える。これにより、燃料電池スタック２の発電電力を蓄電池に充電することなく、低温時からの起動の際も通常時と同じ時間で燃料電池スタック２の起動を開始することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関し、より詳しくは、燃料電池スタックの発電電力を蓄電池に充電することなく、低温時の起動の際も通常時と同じ時間で燃料電池スタックを起動可能にするための技術に係わる。

従来より、燃料極（アノード）と酸化剤極（カソード）により高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）を挟持する膜電極接合体と膜電極接合体を挟持するセパレータとを有する固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と略記）が複数積層された燃料電池スタックが知られている。このような燃料電池スタックでは、燃料極に供給された燃料ガス（水素含有ガス）が、電極面上で水素イオン化され、適度に加湿された高分子イオン交換膜を介して酸化剤極方向に移動する。そして、燃料ガスが水素イオン化された際に生じた電子は、外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。一方、酸化剤極には、酸素含有ガスや空気等の酸化剤ガスが供給され、電極面上の三相界面において水素イオン，電子，及び酸素ガスが反応することにより水が生成される。

ところで、従来までの燃料電池スタックでは、寒冷地における起動時等の低温時からの起動の際、燃料電池スタックの温度が低いために、上述の反応により生成された水が内部で凍結していることがある。そして、水が凍結している状態で燃料電池スタックを起動した場合には、燃料ガスと酸化剤ガスの供給が氷により阻害されることによって、上述の反応が活発に行われないので、未使用の燃料ガスが多く排出され、エネルギー効率が低下する。従って、低温時からの起動の際には、エネルギー効率を低下させないために、燃料電池の電極面内温度を十分発電可能な温度まで速やかに上げる必要性がある。

このような背景から、最近では、燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体の循環経路に、冷却媒体を所定温度以上に保温，貯蔵する蓄熱装置を設け、起動の際、蓄熱装置内の冷却媒体を燃料電池スタックに供給することにより、燃料電池スタックを暖機する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。また、燃料極を冷却するための第１冷却媒体と酸化剤極を冷却するための第２冷却媒体の流路とをそれぞれ独立して設け、第１冷却媒体が所定温度以下である場合、第１冷却媒体よりも融点の低い第２冷却媒体を加熱し、加熱された第２冷却媒体を燃料電池スタックに供給することにより、燃料電池スタックを暖機する燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献２を参照）。
特開２００２−４２８４６号公報 特開平１０−５５８１２号公報

しかしながら、従来までの燃料電池システムによれば、冷却媒体の保温や第２冷却媒体の加熱のための電力を確保ために、定常運転時に燃料電池スタックの発電電力を充電池に充電しておく必要がある。また、充電池が満充電の状態で燃料電池スタックが運転を停止していない場合には、次回の起動時に備えて、充電池の充電量が所定量になるまで燃料電池スタックを運転させなければならないために、燃料電池スタックのエネルギー効率が悪化する。また、従来までの燃料電池システムによれば、冷却媒体の熱容量を利用して燃料電池スタックを暖機するために、燃料電池スタックが発電可能な状態になるまでに多くの時間を要する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの発電電力を蓄電池に充電することなく、低温時からの起動の際も通常時と同じ時間で燃料電池スタックの起動を開始することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、燃料電池スタックは、燃料電池スタックを挟持する一対の集電板と、一対の集電板を挟持する絶縁板と、集電板と絶縁板の間に配設され、集電板と絶縁板間の温度差によるゼーベック効果を利用して発電する熱電素子とを備える。

本発明に係る燃料電池システムによれば、熱電素子が集電板と絶縁板間の温度差によるゼーベック効果を利用して発電するので、燃料電池スタックの発電電力を蓄電池に充電することなく、低温時からの起動の際も通常時と同じ時間で燃料電池スタックの起動を開始することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の一実施形態となる燃料電池システムは、図１，２に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池１が複数積層された燃料電池スタック２を有する。なお、この実施形態では、燃料電池１は、固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極と酸化剤極により高分子イオン交換膜を挟持する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するセパレータとを有する。また、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔燃料極〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔酸化剤極〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
また、燃料電池スタック２は、図１，２に示すように、一対の集電板３，熱電素子４，絶縁板５，及びエンドプレート６により一体的に固定され、燃料電池スタック２が発電した電力は集電板３を介して外部に取り出される。上記熱電素子４は、Ｂｉ_２Ｔｅ_３系，ＰｂＴｅ系，ＧＩＧＡ−ＴＯＰＡＺ（登録商標）等のゼーベック効果を利用して温度差を起電力に変換する素子により構成され、この実施形態では、集電板３と絶縁板５間の温度差に対応する起電力を生成する。なお、本明細書でいうゼーベック効果とは、２種類の金属や半導体の接合部に温度差をつけると電位差を生じる現象のことを意味し、この実施形態では、熱を発する燃料電池スタック２側の集電板３の温度が絶縁板５の温度よりも高くなることにより電位差が生じる。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムの制御系は、熱電素子４が発電した電力を蓄電する蓄電池７と、蓄電池７と熱電素子４の接続／非接続を切り換えるスイッチ８ａと、蓄電池７と燃料電池１の接続／非接続を切り換える８ｂと、燃料電池１の電極面温度を直接反映する酸化剤極側のセパレータの温度を検出する温度センサ９と、燃料電池システム全体の動作を制御する制御ユニット１０を備える。なお、この実施形態では、蓄電池７は、鉛蓄電池，ニッケル−カドミニウム蓄電池，ニッケル−水素蓄電池，リチウム二次電池等の二次電池により構成され、その容量は、燃料電池スタック２を最低発電可能温度Ｔ１（例えば５℃）に所定時間Ｔ１（例えば１０時間）保持するために必要な電力を充電可能な大きさに構成されている。また、温度センサ９は１０枚等の燃料電池１の所定積層枚数毎に設けられている。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、制御ユニット１０が以下に示す充電処理及び保温処理を実行することにより、燃料電池スタック２の発電電力を蓄電池７に充電することなく、低温からの起動の際も通常時と同じ時間で燃料電池スタック２を起動する。以下、この充電処理及び保温処理を実行する際の制御ユニット１０の動作について説明する。

〔充電処理〕
始めに、充電処理を実行する際の制御ユニット１０の動作について説明する。

充電処理は燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、制御ユニット１０は、集電板３と絶縁板５の温度差が所定温度範囲内であるか否かを判別する。そして、集電板３と絶縁板５の温度差が所定温度範囲内の場合、制御ユニット１０は、スイッチ８ａをオフ状態に制御することにより、集電板３と蓄電池７との間を非接続状態にする。そして、燃料電池スタック２が発電を開始し、集電板３の温度が絶縁板５の温度よりも高くなることにより、集電板３と絶縁板５の温度差が所定温度範囲以上の場合は、制御ユニット１０は、スイッチ８ａをオン状態に制御することにより熱電素子４と蓄電池７を接続し、集電板３と絶縁板５の温度差に応じて熱電素子４が発電した電力を蓄電池７に充電する。このような処理によれば、燃料電池スタック２の発電電力を利用することなく、後述する保温処理に必要となる電力を充電池７に充電することができる。

〔保温処理〕
次に、図４に示すフローチャートを参照して、保温処理を実行する際の制御ユニット１０の動作について説明する。

図４に示すフローチャートは、燃料電池システムが停止するのに応じて開始となり、保温処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この保温処理は、例えば５分間隔等の所定の制御周期Ｔ［sec］毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ１の処理では、制御ユニット１０が、温度センサ９を介して燃料電池１の電極面温度ｔを検出する。なお、この実施形態では、温度センサ９は、燃料電池１の電極面温度ｔを検出するが、燃料電池スタック２を冷却するための冷却媒体の温度を検出するようにしてもよい。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、保温処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、制御ユニット１０が、燃料電池１の電極面温度ｔが燃料電池スタック２の最低発電可能温度Ｔ２より高いか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池１の電極面温度ｔが燃料電池スタック２の最低発電可能温度Ｔ２より低い場合、制御ユニット１０は、暖機が必要であると判断し、保温処理をステップＳ３の処理に進める。一方、燃料電池１の電極面温度ｔが燃料電池スタック２の最低発電可能温度Ｔ２より高い場合には、制御ユニット１０は、暖機は不要であると判断し、保温処理をステップＳ４の処理に進める。

ステップＳ３の処理では、制御ユニット１０が、スイッチ８ｂをオン状態に制御することにより燃料電池１のセパレータに弱電流を流し、セパレータで発生したジュール熱によって燃料電池スタック２を暖機する（保温運転）。このような処理によれば、燃料電池スタック２の温度を最低発電可能温度Ｔ２よりも高くし、低温からの起動の際も通常時と同じ時間で燃料電池スタック２を起動することができる。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、一連の保温処理は終了する。

ステップＳ４の処理では、制御ユニット１０が、スイッチ８ｂをオフ状態に制御することにより、上記保温運転を停止する。これにより、このステップＳ４の処理は完了し、一連の保温処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態となる燃料電池システムによれば、燃料電池スタック２は、燃料電池スタック２を挟持する一対の集電板３と、一対の集電板３を挟持する絶縁板５と、集電板３と絶縁板５の間に配設され、集電板３と絶縁板５間の温度差によるゼーベック効果を利用して発電する熱電素子４を備えるので、燃料電池スタック２の発電電力量を向上させることができる。

また、本発明の一実施形態となる燃料電池システムは、熱電素子４が発電した電力を蓄電する蓄電池７を備えるので、燃料電池スタック２の発電電力を利用することなく蓄電池７を充電することができる。

また、本発明の一実施形態となる燃料電池システムは、制御ユニット１０が、蓄電池７に充電された電力を利用して停止時及び保管時に燃料電池スタック２を保温するので、低温時からの起動の際も通常時と同じ時間で燃料電池スタック２の起動を開始することができる。

また、本発明の一実施形態となる燃料電池システムによれば、制御ユニット１０は、蓄電池７に充電された電力を利用して燃料電池１のセパレータを負荷とする回路に電流を流し、セパレータで発生したジュール熱を利用して燃料電池スタック２を保温するので、冷却媒体を使用することなく燃料電池スタック２を加熱，保温することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、熱電素子４の絶縁板側表面に、集電板３と絶縁板５の温度差を大きくするための放熱フィンを設けてもよい。このような構成によれば、集電板３と絶縁板５の温度差が大きくなるので、熱電素子４の発電効率が向上し、より多くの電力を生成することができる。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の一実施形態となる燃料電池スタックの構成を示す鳥瞰図である。 図１に示す燃料電池スタックの構成を示す側面図である。 本発明の一実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態となる保温処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：燃料電池スタック
３：集電板
４：熱電素子
５：絶縁板
６：エンドプレート
７：蓄電池
８ａ，８ｂ：スイッチ
９：温度センサ
１０：制御ユニット

Claims (5)

1. 燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、
   前記燃料電池スタックを挟持する一対の集電板と、
   前記一対の集電板を挟持する絶縁板と、
   前記集電板と前記絶縁板の間に配設され、集電板と絶縁板間の温度差によるゼーベック効果を利用して発電する熱電素子と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記熱電素子が発電した電力を蓄電する蓄電手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記蓄電手段が蓄電する電力を利用して停止時及び保管時に前記燃料電池スタックを保温する保温手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、燃料極と酸化剤極により固体高分子膜を挟持する膜電極接合体と、当該膜電極接合体を挟持するセパレータとを有し、
   前記保温手段は、前記蓄電手段が蓄電する電力を利用して前記セパレータを負荷とする回路に電流を流し、当該セパレータで発生したジュール熱を利用して前記燃料電池スタックを保温することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記熱電素子の絶縁板側表面には、前記集電板と前記絶縁板の温度差を大きくするための放熱手段が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

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