JP2006286454A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の電気エネルギーを用いることなく、燃料電池の両端付近に位置するセルが他のセルより低温になることを抑制する。
【解決手段】 酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させ、電力消費機器に電力を供給する積層された複数の燃料電池セル１００と、複数の燃料電池セル１００の両外側に設けられた集電板１０１、１０２とを有する燃料電池１０と、集電板１０１、１０２の両外側に設けられた暖機用セル１０５、１０６とを設け、暖機用セル１０５、１０６で、燃料電池セル１００に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることでこれらのガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。

燃料電池は、複数のセルが積層され、その両端を集電板で挟まれて構成されているため、両端に位置するセルは集電板の熱伝導により冷却されやすく、他のセルより低温になりやすい。このため、両端に位置するセルでは、燃料電池を起動させる際、水の凝縮によるフラッティングや水の凍結等が発生して発電特性が悪くなるという問題がある。

このような問題に対し、燃料電池の外部に熱源を設け、燃料電池を加熱する方法が知られているが、外部の電気エネルギーを用いるため、装置が大型化する等の問題がある。また、通電により発熱する発熱体をセルと集電板の間に設け、両端に位置するセルを暖める構成が提案されている（特許文献１参照）。
特開平８−１６７４２４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、発熱体が常時発熱するため 両端のセルを暖める必要がない場合には、電気エネルギーのロスとなる。また、発熱体を設けることで燃料電池の総電圧が低下するため、従来と同じ電圧を出力させるためには、燃料電池を構成するセル枚数を増やす必要があり、コストアップにつながる問題がある。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池の電気エネルギーを用いることなく、燃料電池の両端付近に位置するセルが他のセルより低温になることを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させ、電力消費機器（１１、２２、４２）に電力を供給する積層された複数の燃料電池セル（１００）と、複数の燃料電池セル（１００）の両外側に設けられた集電板（１０１、１０２）とを有する燃料電池（１０）と、集電板（１０１、１０２）の両外側に設けられた暖機用セル（１０５、１０６）とを備え、暖機用セル（１０５、１０６）は、燃料電池セル（１００）に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることでこれらのガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させることを特徴としている。

このような構成により、暖機用セル（１０５、１０６）では発電に伴う自己発熱が発生し、集電板（１０１、１０２）の温度を上昇させることができ、燃料電池（１０）の両端付近に存在する燃料電池セル（１００）の温度を上昇させることができる。これにより、燃料電池の電気エネルギーを用いることなく、燃料電池の両端付近に位置する燃料電池セルが他の燃料電池セルより低温になることを抑制することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、暖機用セル（１０５、１０６）は、電解質部（１０５ａ、１０６ａ）と、電解質部（１０５ａ、１０６ａ）の両外側に設けられた一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）と、集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）の両外側のうち少なくとも集電板（１０１、１０２）と接する側に設けられた絶縁部（１０５ｂ、１０６ｂ）とを備えるように構成できる。

また、請求項３に記載の発明のように、暖機用セル（１０５、１０６）にて発電させる際に、一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間を短絡させることで、暖機用セル（１０５、１０６）の発電効率を低下させて自己発熱量を増加させることができるので、暖機用セル（１０５、１０６）を早期に昇温させることができる。

また、請求項４に記載の発明のように、一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間をポジスタで接続し、あるいは請求項５に記載の発明のように、一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間をバイメタルで接続することで、低温時にのみ暖機用セルを短絡状態にすることができる。

また、請求項６に記載の発明では、集電板（１０１、１０２）の温度を検出する温度センサ（１６）と、一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間を電気的に開閉可能なスイッチ（１０５ｄ、１０６ｄ）と、スイッチの開閉制御を行うスイッチ制御手段（５０）とを備え、スイッチ制御手段（５０）は、集電板（１０１、１０２）の温度が所定温度を上回っている場合に、一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間を閉状態とし、集電板（１０１、１０２）の温度が所定温度を下回っている場合に、一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間を開状態とすることを特徴としている。これにより、低温時にのみ暖機用セルを短絡状態にすることができる。

また、請求項７に記載の発明のように、暖機用セル（１０５、１０６）が電力消費機器（２２、４２）に電力を供給するように構成することで、暖機用セル（１０５、１０６）で発生する電気エネルギを有効利用することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータジェネレータ１１、二次電池１２、補機２２、４２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。なお、モータジェネレータ１１および補機２２、４２は、本発明の電力消費機器に相当する。

燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。

（水素極側） Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（酸素極側） ２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数積層されて構成されている。各燃料電池セル１００は、電解質膜が一対のセパレータで挟まれた構成となっている。燃料電池セル１００は、両端を一対の集電板１０１、１０２と一対の絶縁板１０３、１０４で挟まれている。

燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。

空気供給経路２０ａには、空気圧送用の送風機２１が設けられている。この送風機２１は電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２４が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２４を開弁するとともに、電動モータ２２によって送風機２１を駆動する。補機としての電動モータ２２は、インバータ２３を介して二次電池１２と接続されている。送風機２１、電動モータ２２は、後述の制御部５０とともに、本発明の酸化剤ガス供給制御手段に相当している。

空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２５が設けられている。この加湿器２５は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて送風機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。

水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３４が設けられている。なお、水素ボンベ３１、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３は、後述の制御部５０とともに、本発明の燃料ガス供給制御手段に相当している。

燃料電池１０に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁３３を開弁するとともに、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４４が設けられている。

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファン４４を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファン４４による風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。補機としての電動モータ４２は、図示を省略しているが、送風機用電動モータ２２と同様、インバータを介して二次電池１２と接続されている。

燃料電池１０と二次電池１２との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。

燃料電池１０および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間にインバータ１４が配置されている。このインバータ１４により、モータジェネレータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とインバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からもモータジェネレータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、モータジェネレータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。

燃料電池システムには、各燃料電池セル１００の電圧を検出するセルモニタ１５と、集電板１０１、１０２の温度を検出する温度センサ１６と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流センサ１７が設けられている。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、セルモニタ１５からの電圧信号、温度センサ１６からの温度信号、および電流センサ１７からの電流信号が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４、２３、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２３、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン４４等に制御信号を出力するように構成されている。

図２は、燃料電池１０の構成を示す概念図である。図２に示すように、燃料電池１０では、積層された複数の燃料電池セル１００の両端が一対の電極板１０１、１０２で挟まれており、さらに一対の電極板１０１、１０２の両外側が一対の絶縁板１０３、１０４で挟まれている。電極板１０１、１０２と絶縁板１０３、１０４との間には、暖機用セル１０５、１０６が設けられている。すなわち、両端に位置するセル１００の両外側に電極板１０１、１０２が配置され、電極板１０１、１０２の両外側に暖機用セル１０５、１０６が配置され、暖機用セル１０５、１０６の両外側に絶縁板１０３、１０４が配置されている。暖機用セル１０５は、燃料電池１０を構成する燃料電池セル１００と同様の構成を有している。

図３は、暖機用セル１０５の構成を示している。第１の暖機用セル１０５と第２の暖機用セル１０６は同様の構成であるので、ここでは、第１の暖機用セル１０５の構成についてのみ説明する。図３に示すように、暖機用セル１０５は、電解質膜１０５ａの両側面に一対の集電部１０５ｂが設けられ、一対の集電部１０５ｂの両外側には一対の絶縁部１０５ｃが設けられている。集電部１０５ｂは電極として構成されており、集電部１０５ｂの先端には、一対の集電部１０５ｂの間を電気的に開閉できるスイッチ（リレー）１０５ｄが設けられている。スイッチ１０５ｄは、制御部５０からの制御信号により開状態（オフ）と閉状態（オン）とを切り替えるように構成されている。

図４は、集電板１０１、１０２の温度と暖機用セル１０５、１０６のスイッチ１０５ｄ、１０６ｄの作動との関係を説明するための図である。図４に示すように、暖機用セル１０５、１０６のスイッチ１０５ｄ、１０６ｄは、集電板１０１、１０２の温度が所定温度Ｔ１より低い場合は閉状態（オン）となり、集電板１０１、１０２の温度が所定温度Ｔ１より高い場合は開状態（オフ）となる。これにより、集電板１０１、１０２が低温の場合は、暖機用セル１０５、１０６での発電が行われ、集電板１０１、１０２が低温の場合は、暖機用セル１０５、１０６での発電が行われない。なお、所定温度Ｔ１は、暖機用セル１０５、１０６による暖機を行うか否かを判定するための基準となる温度、すなわち燃料電池１０の両端付近に存在する燃料電池セル１００において、低温による発電効率低下が発生する温度であり、任意に設定することができる。

また、暖機用セル１０５、１０６の内部には、水素が通過する水素経路と空気が通過する空気経路が設けられている。暖機用セル１０５、１０６には、燃料電池セル１００に供給される水素と空気とが供給され、水素と酸素の電気化学反応により発電することができる。また、暖機用セル１０５。１０６は、絶縁部１０５ｂ、１０６ｂを介して集電板１０１と接することとなり、暖機用セル１０５、１０６と集電板１０１とは電気的に絶縁される。

次に、本実施形態の暖機用セル１０５、１０６を用いた暖機制御について図５に基づいて説明する。図５は、制御部５０のＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムに基づいて行う暖機制御の流れを示すフローチャートである。なお、初期状態では暖機用セル１０５、１０６のスイッチ１０５ｄ、１０６ｄは開状態となっており、暖機用セル１０５、１０６による発電は行われていない。

まず、燃料電池システムの運転開始後、システム停止指令が出されたか否かを判定する（Ｓ１０）。この結果、システム停止指令が出されていない場合には、温度センサ１６にて集電板１０１、１０２の温度Ｔを検出し、集電板１０１、１０２の温度Ｔが所定温度Ｔ１を下回っているか否かを判定する（Ｓ１１）。この結果、集電板温度Ｔが所定温度Ｔ１を下回っている場合には、暖機用セル１０５、１０６による暖機制御を行う（Ｓ１２）。具体的には、暖機用セル１０５、１０６のスイッチ１０５ｄ、１０６ｄは閉状態とすることで、暖機用セル１０５、１０６による発電が開始される。これにより、暖機用セル１０５、１０６では発電に伴う自己発熱が発生し、集電板１０１、１０２の温度を上昇させることができ、燃料電池１０の両端付近に存在する燃料電池セル１００の温度を上昇させることができる。また、暖機用セル１０５、１０６の集電部１０５ｂ、１０６ｂ間は短絡状態となっているので、暖機用セル１０５、１０６の発電効率が低下して自己発熱量が増加するので、暖機用セル１０５、１０６を早期に昇温させることができる。この暖機用セル１０５、１０６による暖機制御は、燃料電池システムの運転中に集電板温度Ｔが所定温度Ｔ１を下回っている間に行われる。

一方、Ｓ１１による判定の結果、集電板温度Ｔが所定温度Ｔ１を下回っていない場合には、Ｓ１０の処理に戻る。また、Ｓ１２の暖機用セル１０５、１０６による暖機制御が行われている場合には、スイッチ１０５ｄ、１０６ｄを開状態とし、暖機用セル１０５、１０６による暖機制御を停止する。

次に、Ｓ１０の判定処理でシステム停止指令が出されている場合には、燃料電池１０内部の残留水分を除去するパージ処理を行う（Ｓ１３）。水分パージは、例えば燃料電池１のガス供給経路２０ａ、３０ａに乾燥したガスを供給することで行うことができる。このように、燃料電池１０の温度が高くなった状態で水分パージを行うことで、水分パージに要する時間を短くすることができる。

以上のように、暖機用セル１０５、１０６を集電板１０１、１０２の両外側に設けることで、燃料電池１０の電気エネルギーを用いることなく、燃料電池１０の両端付近に位置する燃料電池セル１００が他の燃料電池セル１００より低温になることを抑制することができる。特に、低温起動時における燃料電池１０の始動性を向上させることができる。

また、集電板１０１、１０２が低温の場合にのみ、暖機用セル１０５、１０６で発電を行うことで、燃料電池１０の両端付近を暖機する必要のない場合に、暖機用セル１０５、１０６で燃料ガスを消費することを防止できる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、暖機用セル１０５、１０６の集電部１０５ｂ、１０６間をスイッチ１０５ｄ、１０６ｄで開閉し、低温時に短絡させるように構成したが、他の手段により暖機用セル１０５、１０６の集電部１０５ｂ、１０６ｂ間を開閉するように構成してもよい。

例えば、集電部１０５ｂ、１０６ｂ間をポジスタ（正極性サーミスタ）で接続することで、集電板１０１、１０２の温度変化に応じて集電部１０５ｂ、１０６ｂ間を電気的に開閉することができる。ポジスタには、絶縁部１０５ｃ、１０６ｃ、集電部１０５ｂ、１０６ｂを介して集電板１０１、１０２の温度が伝わるが、ポジスタに集電板１０１、１０２の温度が直接伝わるように構成することが好ましい。

図６はポジスタの抵抗値の温度特性を示している。図６に示すように、ポジスタは、温度が上昇すると抵抗値が上がる特性がある。このため、集電板１０１、１０２の温度が所定温度Ｔ１より低い場合にはポジスタの抵抗値が低くなり、集電部１０５ｂ、１０６ｂ間を閉状態（短絡）に近づけることができ、集電所定温度が所定温度Ｔ１より高い場合にはポジスタの抵抗値が高くなって電流がほとんど流れなくなり、集電部１０５ｂ、１０６ｂ間を開状態に近づけることができる。

また、バイメタルも図６で示したポジスタと同様、温度が上昇すると抵抗値が上がる特性があるので、集電部１０５ｂ、１０６ｂ間をバイメタルで接続しても、ポジスタを用いた場合と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態では、暖機用セル１０５、１０６を発電時に短絡させるように構成したが、これに限らず、暖機用セル１０５、１０６から補機類２２、４２等の電力消費機器に電力を供給するように構成してもよい。

上記実施形態の燃料電池システムの概念図である。 上記実施形態の燃料電池の概念図である。 上記実施形態の暖機用セルの構成を示す概念図である。 上記実施形態の集電板温度と暖機用セルのスイッチの作動との関係を説明するための図である。 上記実施形態の暖機用セルによる暖機制御の流れを示すフローチャートである。 ポジスタの抵抗値の温度特性を示す特性図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１５…セルモニタ、１６…温度センサ、１７…電流センサ、５０…制御部、１００…燃料電池セル、１０１、１０２…集電板、１０３、１０４…絶縁板、１０５、１０６…暖機用セル。

Claims (7)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させ、電力消費機器（１１、２２、４２）に電力を供給する積層された複数の燃料電池セル（１００）と、前記複数の燃料電池セル（１００）の両外側に設けられた集電板（１０１、１０２）とを有する燃料電池（１０）と、
   前記集電板（１０１、１０２）の両外側に設けられた暖機用セル（１０５、１０６）とを備え、
   前記暖機用セル（１０５、１０６）は、前記燃料電池セル（１００）に供給される燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることでこれらのガスを電気化学反応させて電気エネルギを発生させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記暖機用セル（１０５、１０６）は、電解質部（１０５ａ、１０６ａ）と、前記電解質部（１０５ａ、１０６ａ）の両外側に設けられた一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）と、前記集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）の両外側のうち少なくとも前記集電板（１０１、１０２）と接する側に設けられた絶縁部（１０５ｂ、１０６ｂ）とを備え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。
3. 前記暖機用セル（１０５、１０６）にて発電させる際に、前記一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間を短絡させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間は、ポジスタで接続されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間は、バイメタルで接続されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記集電板（１０１、１０２）の温度を検出する温度センサ（１６）と、
   前記一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間を電気的に開閉可能なスイッチ（１０５ｄ、１０６ｄ）と、
   前記スイッチの開閉制御を行うスイッチ制御手段（５０）とを備え、
   前記スイッチ制御手段（５０）は、前記集電板（１０１、１０２）の温度が所定温度を上回っている場合に、前記一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間を閉状態とし、前記集電板（１０１、１０２）の温度が所定温度を下回っている場合に、前記一対の集電部（１０５ｂ、１０６ｂ）間を開状態とすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記暖機用セル（１０５、１０６）は、前記電力消費機器（２２、４２）に電力を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
   

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