JP2006313665A - 燃料電池の暖気システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 ヒータや循環水を利用することなく暖気でき、また温度ムラが発生し難い燃料電池の暖気システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池1は、第1及び第2の発電部1a,1bから成り、発電した電力を昇圧して出力するための昇圧チョッパ回路7を備え、この昇圧チョッパ回路7を充電するための充電電流を生成することで燃料電池1の温度を上昇させて暖気し、引き続き第1発電部1aで発電を持続させて補器類13を駆動する電力を生成させた。
【選択図】 図1
【解決手段】 燃料電池1は、第1及び第2の発電部1a,1bから成り、発電した電力を昇圧して出力するための昇圧チョッパ回路7を備え、この昇圧チョッパ回路7を充電するための充電電流を生成することで燃料電池1の温度を上昇させて暖気し、引き続き第1発電部1aで発電を持続させて補器類13を駆動する電力を生成させた。
【選択図】 図1
Description
本発明は、燃料電池の暖気システムに関し、詳しくはヒータを必要としない燃料電池の暖気システムに関する。
燃料電池は、温度が低くなると発電効率が低下するため、ヒータ等の加熱装置を備えて電池を加熱するよう構成されている。このヒータによる加熱方法としては、次のような方法が提案されている。
(1)燃料電池に燃料ガスを供給して発電を行い、その発電電力を利用してヒータを加熱し、ヒータにより燃料電池を直接暖気する(例えば、特許文献1参照)。
(2)燃料電池を冷却するための冷却水を貯留する冷却水槽にヒータを取り付け、冷却水を外部バッテリーや燃料電池自身の発電で昇温させて暖機する(例えば、特許文献2参照)。
(3)ヒータにより昇温した循環水で燃料電池の中の一部の発電部を最初に暖気し、後に全体を暖気する(例えば、特許文献3参照)。
(1)燃料電池に燃料ガスを供給して発電を行い、その発電電力を利用してヒータを加熱し、ヒータにより燃料電池を直接暖気する(例えば、特許文献1参照)。
(2)燃料電池を冷却するための冷却水を貯留する冷却水槽にヒータを取り付け、冷却水を外部バッテリーや燃料電池自身の発電で昇温させて暖機する(例えば、特許文献2参照)。
(3)ヒータにより昇温した循環水で燃料電池の中の一部の発電部を最初に暖気し、後に全体を暖気する(例えば、特許文献3参照)。
しかし、上記(1)のヒータで直接暖機する構成の場合、燃料電池の内部と表面とで温度差を発生し易く、その対策が必要であった。また、上記(2),(3)の形態は、水をヒータで加熱して循環させるので水槽や配管が必要であったし、配管の途中で熱が放出されるため暖気の熱効率が低かった。特に、上記(3)の構成の場合は、燃料電池を分割して発電させているので、弁、配管が複雑になっていた。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、外部ヒータや外部の水槽で暖められた循環水を利用することなく暖気でき、また温度ムラが発生し難い燃料電池の暖気システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決する為に、請求項1に記載の発明は、複数の発電部から成り、2種類の燃料ガスの供給を受けて前記発電部で前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を暖気する燃料電池の暖気システムであって、発電した電力を昇圧して出力するための昇圧チョッパ回路を備え、前記昇圧チョッパ回路を充電するための発電により電池を昇温させて暖気することを特徴とする。
この構成により、チョッパ回路の充電電流を発電することで自己発熱するため、ヒータや水を循環する配管を設けることなく簡易な構成で暖気させる事ができるし、チョッパ回路が充電されるので、無駄なく良好に発電電力を出力できる。
また、自己発熱させることで電池の内部から昇温するので、昇温が必要な部位を効果的に暖気でき、均一な温度分布での昇温が可能である。
この構成により、チョッパ回路の充電電流を発電することで自己発熱するため、ヒータや水を循環する配管を設けることなく簡易な構成で暖気させる事ができるし、チョッパ回路が充電されるので、無駄なく良好に発電電力を出力できる。
また、自己発熱させることで電池の内部から昇温するので、昇温が必要な部位を効果的に暖気でき、均一な温度分布での昇温が可能である。
請求項2の発明は、請求項1に記載の発明において、昇圧チョッパ回路の充電電流が安定した後、複数の発電部のうちの一部の発電部の発電電流を増加させ、その発電電流により水循環ポンプ等の補器類を駆動することを特徴とする。
この構成により、局部的な自己発熱により暖気を促進させることができる。また、発電電力を補器類へも供給するので、その発電部の暖気を一気に進めることができ、起動時間を短縮できる。
この構成により、局部的な自己発熱により暖気を促進させることができる。また、発電電力を補器類へも供給するので、その発電部の暖気を一気に進めることができ、起動時間を短縮できる。
請求項3の発明は、請求項2に記載の発明において、水循環ポンプは、発電電流を増加させた発電部から他の発電部に向けて水を循環させることを特徴とする。
この構成により、局部的な自己発熱で暖められた発電部の熱を、速やかに他の冷えている発電部に分散させることができ、燃料電池全体を均一に暖気できる。
この構成により、局部的な自己発熱で暖められた発電部の熱を、速やかに他の冷えている発電部に分散させることができ、燃料電池全体を均一に暖気できる。
請求項4の発明は、請求項1に記載の発明において、燃料ガスを加湿する加湿器がヒータ回路を備え、昇圧チョッパ回路の充電電流が安定した後、燃料電池全体の発電電流を前記ヒータ回路に供給することを特徴とする。
この構成により、燃料電池全体の自己発熱により暖気を促進させることができるし、加湿器を加熱するのに外部電力を利用する必要が無くなる。
この構成により、燃料電池全体の自己発熱により暖気を促進させることができるし、加湿器を加熱するのに外部電力を利用する必要が無くなる。
本発明によれば、チョッパ回路の充電電流を発電することで自己発熱するため、ヒータや水を循環する配管を設けることなく簡易な構成で暖気させる事ができるし、チョッパ回路が充電されるので、無駄なく良好に発電電力を出力できる。
また、自己発熱させることで電池の内部から昇温するので、昇温が必要な部位を効果的に暖気できる。
また、自己発熱させることで電池の内部から昇温するので、昇温が必要な部位を効果的に暖気できる。
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に係る燃料電池の暖気システム一例を示すブロック図であり、1は燃料電池、2は水素を含有する燃料ガスを燃料電池1に供給するためのMFC(マスフローコントローラ)、3は酸素を含有する燃料ガスを燃料電池1に供給するMFC、4,5は供給する燃料ガスを加湿する加湿器、6は出力電流を調整する電流調整回路、7は発電電力を昇圧する昇圧チョッパ回路、8は直流を交流に変換するインバータ、9は商用電力等の電力系統を示し、発電電力を電力系統に出力する燃料電池システムを示している。
そして、10はシステムを制御する制御装置、11は加湿器4,5を加熱するためのヒータ回路、12は循環水を加熱するヒータ回路、13は補器類であり、2つのヒータ回路11,12や補器類13は電力系統9から電力の供給を受けている。尚、制御装置10や補器類13はAC/DCコンバータ16を介して電力系統9に接続されている。
また、17は燃料電池1を冷却する冷却水を循環させるポンプ(水循環ポンプ)、18は冷却水槽であり、冷却水は矢印F1の方向、即ち第1発電部1aから第2発電部1bに向けて冷却水が循環するよう配管されている。尚、19はシステムを電力系統9の異常から保護又は燃料電池発電システムに異常が発生した時に電力系統への出力を停止するための遮断器である。
また、17は燃料電池1を冷却する冷却水を循環させるポンプ(水循環ポンプ)、18は冷却水槽であり、冷却水は矢印F1の方向、即ち第1発電部1aから第2発電部1bに向けて冷却水が循環するよう配管されている。尚、19はシステムを電力系統9の異常から保護又は燃料電池発電システムに異常が発生した時に電力系統への出力を停止するための遮断器である。
図2は燃料電池1を抜き出した図で、その発電形態の説明図を示している。図2に示すように、燃料電池1は2つの発電部(第1発電部1a、第2発電部1b)から構成され、燃料電池1の両端に第1及び第2集電板20a,20b、第1発電部1aと第2発電部1bの間に第3集電板20cが設けられ、計3枚の集電板20a〜20cが備えられている。そして、第1集電板20aと第2集電板20bが昇圧チョッパ回路7に接続され、第1発電部1aの出力部である第1集電板20aと第3集電板20cがDC/DCコンバータ21に接続されている。
こうして、昇圧チョッパ回路7へは、燃料電池1全体の発電電力が供給され、補器類13は第1発電部1aの発電電力により駆動可能となっている。尚、このシステムでは、矢印F2に示す方向、即ち第2発電部1bから第1発電部1aに向けて燃料ガスが供給される。
こうして、昇圧チョッパ回路7へは、燃料電池1全体の発電電力が供給され、補器類13は第1発電部1aの発電電力により駆動可能となっている。尚、このシステムでは、矢印F2に示す方向、即ち第2発電部1bから第1発電部1aに向けて燃料ガスが供給される。
このシステムは、起動した時に燃料電池の温度が規定値に達していない場合は、制御装置10の制御により次のように暖気動作する。起動すると一方のMFC2から水素含有ガスが、他方のMFC3から空気(酸素を含有したガス)が夫々燃料電池1に供給され、発電が開始される。この発電により電流調整回路6を介して昇圧チョッパ回路7に発電電流が供給され、昇圧チョッパ回路7に設けられているコンデンサ(図示せず)が充電される。この充電電流を発生させることで燃料電池1は自己発熱し、燃料電池1の温度は徐々に上昇する。このとき、充電電流は燃料電池両端に設けられた第1及び第2終電板20a,20bから取り出される。
そして、昇圧チョッパ回路7の充電電流が安定したら、制御装置10は次に2つの発電部1a,1bのうち一方の第1発電部1aの両端に接続されたDC/DCコンバータ21を作動させ、第1発電部1aの発電により冷却水を循環させるポンプ17を含む補器類13に駆動電流を供給する。
このように、昇圧チョッパ回路の充電電流を発電することで自己発熱するため、ヒータや水を循環する配管を設けることなく簡易な構成で暖気させる事ができるし、自己発熱させることで電池の内部から昇温するので、昇温が必要な部位を効果的に而も均一に暖気できる。そして、昇圧チョッパ回路が充電されるので、無駄なく発電電力を良好に出力させることができる。
また、一部の発電部の発電電力を補器類へも供給するので、その発電部の暖気を一気に進めることができ、燃料電池の起動時間を短縮できる。
更に、補器類に電力を供給している一部の発電部から他の発電部に向けて冷却用の循環水を流すことで、自己発熱で暖められた第1発電部の熱を、速やかに他の冷えている発電部に分散させることができ、燃料電池全体を速やかに暖気できる。
また、一部の発電部の発電電力を補器類へも供給するので、その発電部の暖気を一気に進めることができ、燃料電池の起動時間を短縮できる。
更に、補器類に電力を供給している一部の発電部から他の発電部に向けて冷却用の循環水を流すことで、自己発熱で暖められた第1発電部の熱を、速やかに他の冷えている発電部に分散させることができ、燃料電池全体を速やかに暖気できる。
尚、上記実施形態は、燃料電池を2つの発電部で構成しているが、更に多数の発電部で構成しても良く、その場合は実施形態と同様に1つの発電部を先に昇温させても良いし、幾つかの発電部を先に昇温させてもよい。こうすることで起動時間を短縮できる。
図3は、本発明の変更例を示している。図1とは加湿器4,5を加熱するヒータ回路11の電源ラインに切換スイッチ14を設け、燃料電池1の起動途中でヒータ回路11の電源を切換可能としている点が異なっている。但し、インバータ8の出力への切り換えは、昇圧チョッパ7が充電された後に実施される。尚、他の構成は図1と同様であり、同一の符号を付与し説明を省略する。
このように、加湿器にヒータ回路を備えている場合、切換スイッチを切り換えて加湿器を加熱するヒータ回路にインバータ出力を接続して、燃料ガス自体を加熱して燃料電池の発熱を促進させることで、起動時間を更に短縮できるしヒータ回路の電源に外部電力を利用する必要が無くなる。
このように、加湿器にヒータ回路を備えている場合、切換スイッチを切り換えて加湿器を加熱するヒータ回路にインバータ出力を接続して、燃料ガス自体を加熱して燃料電池の発熱を促進させることで、起動時間を更に短縮できるしヒータ回路の電源に外部電力を利用する必要が無くなる。
1・・燃料電池、1a・・第1発電部、1b・・第2発電部、4,5・・加湿器、7・・昇圧チョッパ回路、9・・電力系統、10・・制御装置、11,12・・ヒータ回路、13・・補器類、14・切換スイッチ、17・・ポンプ(水循環ポンプ)。
Claims (4)
- 複数の発電部から成り、2種類の燃料ガスの供給を受けて前記発電部で前記燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を暖気する燃料電池の暖気システムであって、
発電した電力を昇圧して出力するための昇圧チョッパ回路を備え、前記昇圧チョッパ回路を充電するための発電により電池を昇温させて暖気することを特徴とする燃料電池の暖気システム。 - 昇圧チョッパ回路の充電電流が安定した後、複数の発電部のうちの一部の発電部の発電電流を増加させ、その発電電流により水循環ポンプ等の補器類を駆動する請求項1記載の燃料電池の暖気システム。
- 水循環ポンプは、発電電流を増加させた発電部から他の発電部に向けて水を循環させる請求項2記載の燃料電池の暖気システム。
- 燃料ガスを加湿する加湿器がヒータ回路を備え、昇圧チョッパ回路の充電電流が安定した後、燃料電池全体の発電電流を前記ヒータ回路に供給する請求項1記載の燃料電池の暖気システム。
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