JP2006313665A

JP2006313665A - 燃料電池の暖気システム

Info

Publication number: JP2006313665A
Application number: JP2005135186A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kitagawa; 隆北川
Original assignee: Kawamura Electric Inc
Current assignee: Kawamura Electric Inc
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-11-16

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

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）。

特開平７−２９５８５号公報特開平７−９４２０２号公報特開２０００−１７３６３８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明に係る燃料電池の暖気システムの実施形態の一例を示すブロック図である。図１の燃料電池の発電形態の説明図である。本発明の変更例を示す燃料電池の暖気システムのブロック図である。

符号の説明

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

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。