JP2006286486A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの起動性を向上させることを目的とする。
【解決手段】燃料電池ユニット１は、燃料電池１１と、燃料電池１１内の冷媒を貯留可能な蓄熱タンク１３と、燃料電池１１および蓄熱タンク１３を収容するケーシング１０と、を備える。そのため、低温環境下の運転停止時に燃料電池１１内の冷媒を蓄熱タンク１３に退避させて燃料電池１１の熱容量を減らすことで、次回起動時の燃料電池１１の昇温速度を早くできる。つまり、起動性を向上できる。しかもこのとき、蓄熱タンク１３に燃料電池１１内で高温になった冷媒が貯蔵されることとなるので、ケーシング１０内の雰囲気温度が長時間高温に保たれ、燃料電池１１が高温のまま維持され、結果、次回起動時の燃料電池１１の起動性がさらに向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものであり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである（たとえば特許文献１参照）。

陽極反応：Ｈ_２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
陰極反応：２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や、水素を含有する燃料を改質した水素含有ガスを供給する方法、などが知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。陰極に供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

ところで、例えば燃料電池を車両用駆動源として使用する場合や寒冷地での定置用として使用する場合には、燃料電池が０℃以下の雰囲気にさらされることがあるので、そのような状況下でも燃料電池を起動でき、発電できることが望まれている。

しかしながら、燃料電池内のガス流路には水分（供給される燃料ガスまたは酸化ガスに含まれる水分や燃料電池の発電により生成される水分）が残留しているため、０℃以下の低温状態では、前記水分が燃料電池の電極で凍結したり、ガス流路で凍結する。電極で凍結すれば、電極の面積が減るため発電能力が低下する。また、ガス通路で凍結すれば、通路断面積が減少するため電極に供給できるガス量が減少し、発電能力が低下する。

そのため、燃料電池を０℃以下から起動する場合、燃料電池の発電による反応熱またはヒーター等による加熱によって、０℃以上にできるだけ速く昇温するのが好ましい。

そこで、発電停止時に燃料電池を冷却するための冷媒を燃料電池から抜いておくことで、発電起動時の燃料電池の熱容量を低減させて、燃料電池の昇温速度を速めることが提案されている（例えば特許文献２、３参照）。
特開平８−１０６９１４号公報 特許第３４０７９１４号

しかしながら、前記従来例では、停止時に燃料電池の熱容量を減少させておくことで、次回起動時の暖機は早まるが、停止中も燃料電池の熱容量が小さくなっているため環境温度の影響を受けやすく低温下ではより低温になってしまい、そのぶん起動時間が長くなってしまう。

本発明は、このような問題点を基に為されたものであって、燃料電池の起動性をさらに向上させることを目的とする。

以上の目的は、以下の本発明により達成される。

本発明の燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池内の冷媒を貯留可能な蓄熱タンクと、前記燃料電池および前記蓄熱タンクを収容するケーシングと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低温環境下の運転停止時に燃料電池内の冷媒を蓄熱タンクに退避させて燃料電池の熱容量を減らすことで、次回起動時の起動性が向上する。このとき、蓄熱タンクには燃料電池内の高温になった冷媒を貯蔵することになるため、ケーシング内の雰囲気温度が長時間高温に保もたれて燃料電池が高温のまま維持され、結果、次回起動時の燃料電池の起動性がさらに向上する。

以下、この発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の一実施形態の燃料電池ユニットの断面図、図２は同燃料電池ユニット１を備える燃料電池システムの冷却系の概念図である。なお、図２は燃料電池システムの冷却系の概念図であって、燃料電池システムの通常あるべきその他の構成要素については省略している。

燃料電池システムの冷却系
まず、この実施形態の燃料電池システムの冷却系について説明する。

図２に示すように、燃料電池システムの冷却系は、冷媒タンク２１、ポンプ２３、燃料電池１１、放熱器２５、を備える。なお、この実施形態の燃料電池１１は燃料電池セルを複数備える燃料電池スタックである。

冷媒タンク２１と燃料電池１１とは導入側配管Ｌ１で接続され、この導入側配管Ｌ１の途中にポンプ２３が介在している。また、冷媒タンク２１と燃料電池１１とは導出側配管Ｌ２で接続され、この導出側配管Ｌ２の途中に放熱器２５が介在している。これにより、冷媒タンク２１→ポンプ２３→燃料電池１１→放熱器２５→冷媒タンク２１という冷媒循環回路が形成され、発電中にポンプ２３を起動することで、冷媒タンク２１→ポンプ２３→燃料電池１１→放熱器２５→冷媒タンク２１の順に冷媒が循環し、これにより燃料電池１１の熱を放熱器２５で放熱できる。

また、この燃料電池システムの冷却系には、燃料電池１１と導出側配管Ｌ２の途中と、を接続する迂回ラインＬ３が設けられている。この迂回ラインＬ３には、燃料電池１１内の冷媒を一時的に退避可能な蓄熱タンク１３が介在している。また、迂回ラインＬ３のうち蓄熱タンク１３の上流には開閉弁ｖ３が設けられ、蓄熱タンク１３の下流には迂回ラインＬ３と導出側配管Ｌ２との合流部に流路切替弁ｖ２が設けられている。

燃料電池１１を低温環境下で停止する場合は、流路切替弁ｖ２および開閉弁ｖ３により、迂回ラインＬ３を開くことで、燃料電池１１の冷媒通路１１ａ内の冷媒を蓄熱タンク１３に一時的に退避させて、燃料電池１１の熱容量を低減し、次回起動時に燃料電池１１の昇温速度を速めることができる。なお、図２中、燃料電池１１内の冷媒を蓄熱タンク１３に抜く際に動作するその他の弁やセンサや制御部やその他の構成要素は図２中省略してある。

次に、図１を参照しつつ燃料電池ユニット１の構造を説明する。

図１に示すように、この実施形態の燃料電池ユニット１は、車両フロアパネルＦＰの下に取り付けられている。この燃料電池ユニット１は、燃料電池１１と、蓄熱タンク１３と、これら燃料電池１１と蓄熱タンク１３とを収容するケーシング１０と、を備えている。ケーシング１０と燃料電池１１と蓄熱タンク１３との間には空隙が設けられ、燃料電池１１の下方に蓄熱タンク１３が配置されている。また、蓄熱タンク１３には加熱素子としてのヒータ１５が取り付けられている。

ケーシング１０は、上側の分割体１０ａと、下側の分割体１０ｂと、を組み合わせて構成されている。また、ケーシング１０は、気密性を備えている。このケーシング１０は、断熱性の高い材質が好ましく、この例では樹脂が用いられるか、もしくは金属に断熱材を被覆したものが用いられている。

ケーシング１０と燃料電池１１と蓄熱タンク１３とを互いに固定するため、これらの部材１０、１１、１３よりも熱伝導性が低い断熱材で構成された断熱ブロック１７、１９が用いられている。例えば断熱ブロック１７、１９には、荷重を支えられ断熱性の高い無機系材料のシリケート材や、耐熱性の高いフェノール樹脂などが用いられている。なお、図１中、ケーシング１０と燃料電池１１とを固定する断熱ブロック１７、１９のみを図示し、その他の断熱ブロックは図示省略してある。

動作
通常発電中には、開閉弁ｖ３および流路切替弁ｖ２により迂回ラインＬ３を閉鎖し、この状態で、ポンプ２３を作動することで冷媒タンク２１→ポンプ２３→燃料電池１１→放熱器２５→冷媒タンク２１の順に冷媒を循環させて、これにより燃料電池１１の熱が放熱器２５で放熱し、燃料電池１１を適正温度に維持する。

発電停止運転中には、燃料電池１１の発電負荷を段階的にまたは連続的に低減していくとともに、開閉弁ｖ３および流路切替弁ｖ２により迂回ラインＬ３を開くことにより、燃料電池１１の冷媒通路１１ａから通常発電中に温まった冷媒を除々に蓄熱タンク１３に流入させる。これにより、燃料電池１１から冷媒を抜いてしまってもケーシング１０内の熱量が大きいままであり、長時間低温環境下で停止していても燃料電池１１が凍結温度に到達しないようになる。このため、起動時に起動性が向上する。

次回の発電起動時には、開閉弁ｖ３および流路切替弁ｖ２をにより迂回ラインＬ３を開いておき、燃料電池１１の内部及び近傍の配管Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３内に溜まった空気を蓄熱タンク１３に流入させて冷媒と置き換え、その後で迂回ラインＬ３を閉じて通常発電に切り替える。またこの起動運転中には、起動運転中の発電電力を利用してヒータ１５を加熱し、蓄熱タンク１３内の冷媒とケーシング１０内の雰囲気を加熱する。これにより起動時の起動性がさらに向上する。

効果
次にこの実施形態効果をまとめる。

（１）この第１実施形態の燃料電池ユニット１は、燃料電池１１（この例では燃料電池セルを複数備える燃料電池スタックであるが本発明では一枚の燃料電池セルであってもよい）と、燃料電池１１内の冷媒を抜き取って貯留可能な蓄熱タンク１３と、燃料電池１１および蓄熱タンク１３を収容するケーシング１０と、を備える。そのため、低温環境下の運転停止時に燃料電池１１内の冷媒を蓄熱タンク１３に退避させて燃料電池１１の熱容量を減らすことで、次回起動時の燃料電池１１の昇温速度を早くできる。つまり、起動性を向上できる。しかもこのとき、蓄熱タンク１３には燃料電池１１内で高温になった冷媒を貯蔵されるので、ケーシング１０内の雰囲気温度は長時間高温に保たれることで低温環境下でも燃料電池１１が高温のまま維持され、結果、次回起動時の燃料電池１１の起動性がさらに向上することとなる。

（２）またこの実施形態では、燃料電池ユニット１が車両床ＦＰ下に設置され、蓄熱タンク１３が燃料電池１１の下方に配置されている。このように車両床下に配置する場合、特にケーシング１０底壁が低温となるため、このケーシング１０底壁（低温部）と燃料電池１１（高温部）との間に配置された蓄熱タンク１３により、これら低温部と高温部との授受を回避または緩和できる。

また、発電停止中に燃料電池１１が蓄熱タンク１３よりも低温になった際には、蓄熱タンク１３の熱を対流によって上方の燃料電池１１で受けることができるので、発電停止中の燃料電池１１の温度低下速度をさらに遅くできる。

（３）またこの実施形態では、燃料電池１１の発電停止運転中に発電負荷を段階的にまたは連続的に低減していくとともに該発電負荷の低減に伴い燃料電池１１から蓄熱タンク１３へ徐々に冷媒を格納していく。つまり、燃料電池１１の発熱量に同調させて燃料電池１１内の冷媒量を調整するため、燃料電池１１の異常加熱を防ぐことができ、また、二次電池の充電を極限まで行うことができる。

（４）またこの実施形態では、蓄熱タンク１３にヒータ１５が取り付けられているため、起動運転中の余剰発電電力を利用してヒータ１５により蓄熱タンク１３内の冷媒とケーシング１０内の雰囲気を加熱できる。これにより、燃料電池１１の温度を速やかに上昇でき、起動時間をさらに短縮できる。

（５）またこの実施形態の燃料電池ユニット１では、ケーシング１０と燃料電池１１と蓄熱タンク１３との間には、空隙が設けられている。そのため、部材（ケーシング１０、燃料電池１１、蓄熱タンク１３）間の直接的な熱の授受を防止でき、部材間の不必要な熱伝達を回避できる。つまり燃料電池１１および蓄熱タンク１３からケーシング１０外への放熱経路を経つことで、さらに起動性を向上できる。

（６）またこの実施形態の燃料電池ユニット１では、ケーシング１０および燃料電池１１および蓄熱タンク１３の固定には、これらケーシング１０および燃料電池１１および蓄熱タンク１３よりも熱伝導性の低い部材（断熱部材）が介在している。そのため、部材（ケーシング１０、燃料電池１１、蓄熱タンク１３）間の不必要な熱伝達を回避できる。つまり燃料電池１１および蓄熱タンク１３からケーシング１０外への放熱経路を経つことで、さらに起動性を向上できる。

なお、本発明は上述の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で変更可能である。

本発明は、発電停止時に燃料電池内の高温になった冷媒を蓄熱タンクに貯蔵することで、ケーシング内の雰囲気温度を長時間高温に保ち、燃料電池の起動性を向上できるものであれば、車両用として利用されるのみならず、その他の移動手段や、家庭用やその他の定置用などに利用可能である。

図１は本発明の一実施形態の燃料電池ユニットの断面図。 同燃料電池ユニットを備える燃料電池システムの冷却系の概念図。

符号の説明

１…燃料電池ユニット
１０…ケーシング
１１…燃料電池
１１ａ…冷媒通路
１３…蓄熱タンク
１５…ヒータ（加熱素子）
１７、１９…断熱ブロック（断熱部材）
２５…放熱器
ＦＰ…車両フロアパネル

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池内の冷媒を貯留可能な蓄熱タンクと、
   前記燃料電池および前記蓄熱タンクを収容するケーシングと、
   を備えることを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 請求項１に記載の燃料電池ユニットであって、
   前記燃料電池ユニットが車両床下に設置され、
   前記蓄熱タンクが前記燃料電池の下方に配置されていることを特徴とする燃料電池ユニット。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池ユニットであって、
   前記燃料電池の発電停止運転中に発電負荷を段階的にまたは連続的に低減していくとともに、該発電負荷の低減に伴い前記燃料電池から前記蓄熱タンクへ徐々に冷媒を格納していくこと特徴とした燃料電池ユニット。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池ユニットであって、
   前記蓄熱タンクには加熱素子を取り付けられていることを特徴とする燃料電池ユニット。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池ユニットであって、
   前記ケーシングと前記燃料電池と前記蓄熱タンクとの間には、空隙が設けられていることを特徴とする燃料電池ユニット。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池ユニットであって、
   前記ケーシングおよび前記燃料電池および前記蓄熱タンクの少なくとも２部材の固定には、該２部材よりも熱伝導性の低い部材が介在していることを特徴とする燃料電池ユニット。
   
   

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