JP2006172907A - 燃料電池スタック及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 コンパクトな構成で十分な暖機性能を得る。
【解決手段】 水素と酸素の電気化学反応によって発電するセル１１の積層体１２を備えた燃料電池スタック１０において、端部セル１１ａに隣接する集電板１３の外側に燃焼機１４を設けた。セル積層方向の一部、より具体的には、端部セル１１ａのみに対応する燃焼機１４内の燃焼室で燃焼を行わせ、その燃焼熱を用いてスタック全体を昇温させるので、体格の増大を抑制しつつ、始動時の暖機性能を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池スタック及び燃料電池システムに係り、特に、コンパクトな構成で十分な暖機性能を得ることができる技術に関する。

燃料電池は、水素と酸素の反応から水を生成する反応により電気を作り出す。かかる反応は発熱反応であるため、定置型などの連続運転では温度低下はほとんどなく、水蒸気が凝結して氷が生成される心配はない。しかしながら、車載用の燃料電池スタックの場合は、走行時は問題ないが、駐車場やガレージへの車両駐車時に外気温が低下すると、水蒸気が凝結して氷になることがある。

かかる場合には、セル内のガス拡散が一部閉塞され、発電できなくなる場合や性能低下を生ずることがある。さらに、燃料極側での氷結による部分的なガス欠は、セル自体を劣化させる要因ともなる。この対策として、燃料電池スタック内に燃料と空気の混合気によって触媒燃焼を起こす触媒燃焼通路を設け、該触媒燃焼通路内で混合気を燃焼させて燃料電池スタックを加熱（暖機）する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２８１０７４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、触媒燃焼通路を全てのセルに対して設けているため（図３）、セルの積層数だけ触媒燃焼通路及び該触媒燃焼通路を貫通形成するための層厚が必要となり、燃料電池スタック全体の体格が大きくなるという課題がある。

そこで、本発明は、コンパクトな構成で十分な暖機性能を備えた燃料電池スタック及びこれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池スタックは、水素（燃料ガス）と酸素（酸化ガス）の電気化学反応によって発電するセルの積層体を備えた燃料電池スタックであって、セル積層方向の一部に燃焼室が設けられたものである。

このような構成によれば、セル積層方向の一部に設けられた燃焼室で燃焼を行わせ、その燃焼熱を用いてスタック全体を昇温させるので、体格の増大を抑制しつつ、始動時の暖機性能を高めることが可能となる。

前記燃焼室は、一部のセルのみに対応して設けられた構成でもよい。このような構成によれば、一部のセルのみに対応する燃焼室で燃焼を行わせ、その燃焼熱を用いてスタック全体を昇温させるので、体格の増大を抑制しつつ、始動時の暖機性能を高めることが可能となる。

前記燃焼室は、セル積層方向端部又はその近傍のセルに対応して設けられた構成でもよい。このような構成によれば、スタック端部からの放熱が抑制されるので、低温からの昇温がより容易となる。

前記燃焼室は、熱交換を促すフィンを有する構成でもよい。このような構成によれば、受熱面積が拡大するので、熱交換効率を高めることができる。

前記燃焼室とセルとの間に冷媒流路を有する構成でもよい。このような構成によれば、冷媒流路とその周辺部が、燃焼室近傍に位置するセルの過度な昇温を緩衝するバッファとなり、セルに対する急激で局所的な熱負荷を低減することが可能となる。

前記燃焼室への流入ガスが複数箇所から流入される構成でもよい。このような構成によれば、燃焼室内の複数箇所で燃焼が起きるので、局所的な熱負荷を低減することができる。

前記燃焼室は、隔壁で分割された複数の燃焼部を有する構成でもよい。このような構成によれば、各燃焼部で燃焼を行わせることができるので、燃焼室内における面内温度の均一化を図ることができる。また、隔壁は、受熱面積を拡大するフィンとしても機能するので、熱交換効率も高められる。なお、各燃焼部は、互いに連通した流路等で構成されていてもよい。

本発明の燃料電池システムは、上記いずれかの構成からなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックにスタック冷媒を供給するスタック冷却系とを備えた燃料電池システムであって、前記燃焼室とセルとの間の冷媒流路を流通する燃焼冷媒と、前記スタック冷却系を流通するスタック冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器を有する。

このような構成によれば、燃焼反応で加温された燃焼冷媒はスタック冷却系を流通するスタック冷媒に対しては熱媒として機能し、この加温されたスタック冷媒を利用してスタックを昇温させることが可能となる。

本発明によれば、セル積層方向の一部に設けられた燃焼室で燃焼を行わせ、その燃焼熱を用いてスタック全体を昇温させるので、体格の増大を抑制しつつ、始動時の暖機性能を高めることが可能となる。これにより、コンパクトな構成で十分な暖機性能を備えた燃料電池スタックの提供が可能となる。

また、燃焼室−セル間を流通する燃焼冷媒を介して、スタック冷却系のスタック冷媒を加熱し、該スタック冷媒を利用して燃料電池スタックを昇温させることが可能になるので、燃料電池スタックをコンパクトに構成しつつも、低温からの始動性に優れる燃料電池システムの提供が可能となる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの要部を示すシステム構成図である。この燃料電池システムは、特に燃料電池車両の車載発電システムに用いて好適であるが、その他に、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

同図に示すように、燃料電池スタック１０のカソードには酸化剤ガスとしての空気Ａが供給され、カソードからの排気Ａｏは外部に排出される。また、燃料電池スタック１０のアノードには燃料ガスとしての水素Ｈが供給され、アノードからの排気Ｈｏは再び燃料電池スタック１０に流入される。

燃料電池スタック１０には、これら反応ガス（水素および空気）の他に、スタック内を流通するスタック冷却水（図示略）と、燃焼機１４内を流通する燃焼機冷却水（燃焼冷媒）ＣＷとが供給される。燃焼機冷却水ＣＷは、ポンプ（圧縮機）２０によって燃焼機冷却系２１を循環し、燃焼機１４を出た燃焼機冷却水ＣＷは、図外のラジエータで冷却されて、燃焼機１４に再供給される。この燃焼機冷却水ＣＷの温度制御は、温度センサＴＣの検出値に基づいて、制御部２５がポンプ２０の回転数を制御することにより実施される。

燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセル１１が多数積層されてなるセル積層体１２と、セル積層体１２の両端に配設された集電板１３と、一方（図１では紙面左側）の集電板１３の外側（セル積層方向外側）に配設された燃焼機１４とを備えて構成されている。

燃焼機１４は、図２に示すように、燃焼室３０と、一対の燃焼機本体３１と、これら燃焼機本体３１に狭持された燃焼触媒部３２とを備えて構成されており、その外観形状はセル１１と略同一形状の平板状をなしている。燃焼触媒部３２は、例えばセラミックス等の多孔質体の表面に白金等の酸化触媒が担持されてなり、燃焼機１４に流入された空気Ａと水素Ｈとの混合気を触媒燃焼させるものである。

燃焼機１４に流入される空気Ａは、通常運転時に燃料電池スタック１０の各セル１１に供給される空気Ａの一部であり、各セル１１に分配供給されるのと同様に、燃料電池スタック１０のセル積層方向に貫通形成された空気入口側流路を通って燃焼機１４に供給される。

一方、燃焼機１４に流入される水素Ｈは、空気Ａの場合と同様に通常運転時に各セル１１に分配供給される水素Ｈの一部が、燃料電池スタック１０のセル積層方向に貫通形成された水素入口側流路を通って供給されるものでもよいし、かかる水素供給系とは別系統で供給されるものでもよい。さらには、燃料電池スタック１０への水素供給系の途中に三方弁等を設け、該三方弁から分岐した枝管より燃料電池スタック１０を通らずに燃焼機１４に供給されるものでもよい。いずれにしても、燃焼機１４への水素供給量は、空気Ａと完全燃焼できる流量に制御される。

燃焼触媒部３２に面する燃焼機本体３１の一面３１Ａ側には複数の隔壁（フィン）３３が設けられており、隣り合う隔壁３３間に形成された空隙部のそれぞれが、燃焼室３０の一部を構成する燃焼部３４とされている。これらの隔壁３３は、燃焼機１４内の燃焼室３０を分割して複数の燃焼部３４を形成する部材として機能する他、燃焼機本体３１の一面３１Ａ側の受熱面積を拡大して燃焼熱との熱交換を促すフィンとしても機能する。

燃焼機本体３１の内部には、燃焼機冷却水ＣＷが流通する不図示の冷却水流路（冷媒流路）が形成されている。これにより、集電板１３に当接する一方（図２では紙面右側）の燃焼機本体３１に形成された冷却水流路は、図１に示すようなスタック状態では、燃焼室３０とセル１１との間に位置することになる。つまり、冷却水流路とその周辺部は、燃焼室１４の近傍に位置する端部セル１１ａの過度な昇温を緩衝するバッファとして機能する。

燃焼機冷却水ＣＷの流入口４１と、空気Ａ及び水素Ｈの流入口４２，４３とは、燃焼機１４の面方向（セル積層方向と直交する面に沿う方向）に相互離間している。同様に、燃焼機冷却水ＣＷの流出口４５と燃焼ガスＣＧの流出口４６についても、燃焼機１４の面方向に相互離間している。また、冷却水流路は、例えば、該流路を流通する燃焼機冷却水ＣＷと、燃焼機１４内を流通する水素Ｈ、空気Ａ、及びそれらの燃焼ガスＣＧとが対向流をなすような流路形状に形成されている。もとより、対向流に限らず、互いに交差したり同方向に流通するものでもよい。

次に、上記構成からなる燃料電池スタック１０を備えた燃料電池システムの作用を説明する。例えば氷点下などの低温からの起動時には、セル１１だけでなく、燃焼機１４にも空気Ａと水素Ｈが供給される。燃焼機１４では、流入口４２，４３より流入された空気Ａと水素Ｈの混合気が燃焼触媒部３２との接触により触媒燃焼し、燃焼ガスＣＧとなって流出口４６より排出される。

燃焼機１４で発生した燃焼熱は、集電板１３を介して当該燃焼機１４と隣接する端部セル１１ａに伝熱され、他のセル１１へは端部セル１１ａを起点にして積層方向に順に伝熱される。このように、本実施の形態では、燃焼室３０を有する燃焼機１４がセル積層方向の一部に設けられている、別言すれば、一部のセル１１（端部セル１１ａ）のみに対応して設けられているので、全てのセル１１に対応して燃焼室３０を設けた場合に比して体格の増大を大幅に抑制しつつ、始動時の暖機性能を高めることが可能である。

しかも、燃焼機１４がセル積層方向一端側の端部セル１２に対応して設けられているので、スタック端部からの放熱が効果的に抑制され、また、燃焼室３０を複数の燃焼部３４に分割している隔壁３３が、燃焼熱の受熱面積を拡大して熱交換を促すフィンとして機能するので、熱交換効率も高められており、低温からの昇温がより容易となっている。

加えて、燃焼機１４では、各々の燃焼部３４で燃焼が分散して行われるので、燃焼機１４内における面内温度の均一化を図ることができると共に、燃焼機本体３１内に形成された冷却水流路とその周辺部が、燃焼機１４に最も近い端部セル１１ａの過度な昇温を緩衝するバッファにもなっているので、端部セル１１ａに対する急激で局所的な熱負荷を低減することが可能となる。

以上のとおり、本実施形態の燃料電池スタック１０によれば、十分な暖機性能をコンパクトな構成にて実現することができる。

この燃料電池スタック１０は、セル積層体１２の両端に配設された集電板１３の一方（図１の紙面左側）の外側にのみ燃焼機１４を備えたものであるが、図３に示す燃料電池スタック１００のように、他方の集電板１３の外側にも燃焼機１４を備えるようにしてもよい。かかる構成によれば、各セル１１を積層方向両端から中央に向けて同時に昇温させることができるので、各セル１１を積層方向一端から他端に向けて昇温させる場合に比して、暖機時間を大幅に短縮することができる。

燃焼機１４は、セル積層体１２の両端に配設された集電板１３のセル積層方向内側に設けてもよい。

（第２の実施形態）
図２に示す第１の実施形態に係る燃焼機１４では、空気Ａ及び水素Ｈの流入口４２，４３はそれぞれ１箇所のみであったが、図４に示すように、水素（流入ガス）Ｈの流入口４３を複数（図４では２つを図示）設け、燃焼機１４に水素Ｈが複数箇所から流入される構成としてもよい。このような構成によれば、燃焼機１４内の複数箇所で燃焼が起きるので、局所的な熱負荷を低減することができる。

（第３の実施形態）
図５に示す燃料電池システムは、上記いずれかの構成からなる燃料電池スタック１０，１００と、ポンプ５０にて燃料電池スタック１０，１００内にスタック冷却水（スタック冷媒）ＣＷ２を供給するスタック冷却系５１とを備えた燃料電池システムであって、さらに、燃焼機冷却系２１を循環して燃焼機１４内の燃焼室３０と端部セル１１ａとの間の冷媒流路を流通する燃焼機冷却水（燃焼冷媒）ＣＷと、スタック冷却系５１を流通するスタック冷却水ＣＷ２との間で熱交換を行わせる熱交換器６０を有するものである。

このような構成によれば、燃焼機１４内を通過する際に燃焼熱で加温された燃焼機冷却水ＣＷが、スタック冷却系５１を流通するスタック冷却水ＣＷ２に対して熱媒として機能するので、該熱媒との熱交換により加温されたスタック冷却水ＣＷ２を利用して、燃料電池スタック１０，１００を昇温させることが可能となる。このとき、加温されたスタック冷却水ＣＷ２は、各セル１１ごと又は一群のセル１１ごとに分配されるので、暖機時間を飛躍的に短縮することができる。

なお、本実施の形態では、燃焼機冷却系２１とスタック冷却系５１とを別系統にすることにより、多少のイオン化を許容できる流路（燃焼機冷却系２１）と、イオン化を極力回避したい流路（スタック冷却系５１）とを完全に分離している。また、スタック冷却水ＣＷ２の温度制御は、スタック冷却系５１に設けられた不図示の温度センサの検出値に基づき、ポンプ５０の回転数を制御することにより実施される。
（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、燃焼室３０を複数に分割してなる燃焼部３４は、必ずしも図２や図４に示すように、互いに独立している必要はなく、互いに連通した流路等で構成されていてもよい。

また、燃料電池スタック１０，１００のセル積層方向に貫通形成されたマニホールドの少なくとも一部に燃焼触媒を設置するようにしてもよい。かかる構成では、燃焼機１４で未燃焼だった水素Ｈを各セル１１からの排気（アノードオフガス）Ａｏを利用して燃焼させることができるので、その燃焼熱を燃料電池スタック１０，１００に回収して暖機することが可能になると共に、未燃水素Ｈの排出も抑制可能となる。

さらに、燃焼機１４（燃焼室３０）には、安定燃焼のために空気を過量に供給しているため、その燃焼排ガスには、再利用可能な未燃焼酸素が多く含まれている。そこで、かかる燃焼排ガスを燃料電池スタックのカソードに供給することにより、当該燃焼排ガス中の未燃焼酸素を発電に利用する構成としてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの要部を示すシステム構成図。 図１に示す燃焼機の拡大断面図。 図１に示す第１実施形態に係る燃料電池スタックの一変形例を示すシステム構成図。 本発明の第２実施形態に係る燃焼機の拡大断面図。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図。

符号の説明

１０、１００…燃料電池スタック、１１…セル、１１ａ…端部セル（セル積層方向端部のセル）、１２…セル積層体（セルの積層体）、３０…燃焼室、３３…隔壁（フィン）、３４…燃焼部、５１…スタック冷却系、６０…熱交換器、Ｈ…水素（流入ガス）、ＣＷ…燃焼機冷却水（燃焼冷媒）、ＣＷ２…スタック冷却水（スタック冷媒）

Claims (8)

1. 水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体を備えた燃料電池スタックであって、
   セル積層方向の一部に燃焼室が設けられた燃料電池スタック。
2. 前記燃焼室は、一部のセルのみに対応して設けられた請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記燃焼室は、セル積層方向端部又はその近傍のセルに対応して設けられた請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
4. 前記燃焼室は、熱交換を促すフィンを有する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
5. 前記燃焼室とセルとの間に冷媒流路を有する請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
6. 前記燃焼室への流入ガスが複数箇所から流入される請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
7. 前記燃焼室は、隔壁で分割された複数の燃焼部を有する請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池スタックと、該燃料電池スタックにスタック冷媒を供給するスタック冷却系とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃焼室とセルとの間の冷媒流路を流通する燃焼冷媒と、前記スタック冷却系を流通するスタック冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器を有する燃料電池システム。

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