JP2007035410A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 温度センサやスイッチを設けることなく、燃料電池の発電電流で効果的に燃料電池の暖機を行い、暖機完了後は、損失の少ない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池スタック２の両端部に配置された集電板３ａ，３ｂに接して、ＰＴＣヒータ４ａ，４ｂを設ける。ＰＴＣヒータを介して負荷装置５を燃料電池スタック２へ接続する。また集電板３ａ，３ｂからＮＴＣ抵抗体７ａ，７ｂを介して負荷装置５を接続し、燃料電池スタック２の温度がＮＴＣ抵抗体７に伝達される構成とする。低温時には、ＰＴＣヒータ４の抵抗値はＮＴＣ抵抗体７の抵抗値より低く、暖機完了後は、ＰＴＣヒータ４の抵抗値がＮＴＣ抵抗体７より高くなるように、ＰＴＣ、ＮＴＣの温度特性を設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池に暖機用発熱体を組み込んだ燃料電池システムに関する。

燃料電池は、電解質を燃料極と酸化剤極によって挟む構造を有し、燃料極に燃料ガス、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電を行う。自動車用途においては、電解質として、水素イオン導電性を有する高分子固体電解質膜を利用する場合が多い。燃料ガスとして水素、酸化剤ガスとして空気を燃料電池に供給すると、以下のような反応が起こる。

燃料極 ：２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^-
酸化剤極：Ｏ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ^- → ２Ｈ₂Ｏ
したがって、燃料電池は副生成物として水しか排出しないため、内燃機関のような二酸化炭素など地球環境に影響を与える物質を放出しない利点がある。

生成された水が燃料電池内部から適切に除去されない場合、反応ガス流路やガス拡散層に残留し、反応ガスの拡散の阻害を引き起こしてしまう。一般にフラッディングと呼ばれる前記現象は、反応ガスが触媒に到達することを妨げるため、発電性能の低下を引き起こす要因となる。この対策として、反応ガスの温度を上げたり、あるいは反応ガスの流量を増やしたりといった運転条件の変更によって水の除去性能を向上させる手段が用いられることが多い。温度が低い場合はフラッディングがおきやすく、特に氷点下においては水の凍結により発電ができない問題点がある。この対策として、ヒータなどの外部熱源によって燃料電池を解凍した後、発電を行う方法がある。

このような燃料電池暖機用ヒータを備えた燃料電池システムとして、特許文献１記載の技術が知られている。この燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの端部に発熱体を設け、発熱体を経由して負荷に接続する回路と、発熱体をバイパスするスイッチとを設ける。温度センサで燃料電池スタックの温度を検出し、設定温度以下の時にはスイッチをオフし、発熱体を通電状態として燃料電池を暖機する。設定温度に達した場合には、スイッチをオンし、発熱体による電力損失を回避する。
特開２００３−３０８８６３号公報（第４頁、図３）

しかしながら、特許文献１記載の技術では、燃料電池の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出値に基づいてスイッチのオン／オフ制御を行うため、燃料電池システムの構成が複雑になるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池セルを少なくとも１つ含む積層体の両端部にそれぞれ集電板を配置した燃料電池と、一端子がそれぞれ前記集電板に機械的及び電気的に接し、他端子がそれぞれ負荷装置に接続され、抵抗値が正の温度係数を有する２つのＰＴＣヒータと、それぞれ前記集電板と前記負荷装置との間に接続され、抵抗値が負の温度係数を有する２つのＮＴＣ抵抗体と、を備え、前記ＮＴＣ抵抗体の抵抗値を前記燃料電池の温度に連動して変動させるように構成したことを要旨とする燃料電池システムである。

燃料電池の温度が通常発電状態より低い場合や氷点下の場合において、まず燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電を開始する。この時のＮＴＣ抵抗体の抵抗値はＰＴＣヒータの抵抗値よりも十分大きくなるように設定することにより、燃料電池の電流はＰＴＣヒータを流れるようになる。このためシステム全体としては負荷装置の駆動よりも、燃料電池の暖機を優先するモードとなる。燃料電池温度が上昇するに従いＰＴＣヒータの抵抗値が大きくなるため、ＰＴＣヒータを流れる電流が減少する。同時にＮＴＣ抵抗体の抵抗値が小さくなるため、ＮＴＣ抵抗体を経由して負荷装置に流れる電流が増加する。ＰＴＣヒータのキュリー温度を燃料電池の通常発電状態の温度より低く設定することにより、燃料電池温度が通常発電時の温度に達するとＰＴＣヒータへの通電がほぼ停止する。同時にＮＴＣ抵抗体の抵抗値が小さくなるため、燃料電池で発電した電流のほぼすべてがＮＴＣ抵抗体を経由して負荷装置に流れることになる。通常発電時の燃料電池温度においてＮＴＣ抵抗体の抵抗値が十分小さくなるように設定することにより、発電した電力はほとんど損失されることなく負荷装置の駆動に使うことができる。

本発明によれば、低温時には、比較的低抵抗となっているＰＴＣヒータを介して燃料電池と負荷装置間の電流が流れることにより、燃料電池の両集電板を加熱して燃料電池の温度上昇を加速させ、温度上昇後或いは高温時には、比較的低抵抗となっているＮＴＣ抵抗体を介して燃料電池と負荷装置間の電流が流れることにより、燃料電池温度を検出する温度センサや検出温度に基づくスイッチの制御装置等を設けることなく、自然に燃料電池暖機用の電力供給と暖機後の電流経路切換が行われるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の概略構成を示す構成図である。図１において、燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて、これらの電気化学反応により発電する例えば固体高分子型燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタック２を備えている。

燃料電池スタック２の両端部は、集電板３ａ，３ｂによって挟まれ、集電板３ａ，３ｂに接するようにＰＴＣヒータ４ａ，４ｂが設置されている。ＰＴＣヒータ４ａ，４ｂと負荷装置５とは導線６ａ，６ｂにより電気的に接続されている。また集電板３ａは、導線８ａでＮＴＣ抵抗体７ａの一方の端子に接続され、ＮＴＣ抵抗体７ａの他方の端子は導線９ａを介して負荷装置５と電気的に接続されている。同様に、集電板３ｂは、導線８ｂでＮＴＣ抵抗体７ｂの一方の端子に接続され、ＮＴＣ抵抗体７ｂの他方の端子は導線９ｂを介して負荷装置５と電気的に接続されている。

ＰＴＣヒータ４は、正の温度係数（Positive Temperature Coefficient）を有する感温抵抗体、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3 ）を主成分とし微量の希土類元素（Ｙ，Ｌａなど）を添加した半導体セラミックである。この半導体セラミックは、材料組成により相転移が起きるキュリー温度を任意に設定することができ、このキュリー温度を超えると電気抵抗が急激に増加する性質がある。ＰＴＣヒータ４は、成型金型、焼成後のカッティングや研磨により、様々な形状や寸法に加工することができる。本実施例では、ＰＴＣヒータ４を、例えば、正方形の板状に形成された集電板３より一回り小さい正方形の板状に加工して、集電板に密接させ電気的熱的伝導を可能としている。また、ＰＴＣヒータのキュリー温度は、燃料電池の通常発電状態の温度より低く設定してある。

ＮＴＣ抵抗体７は、負の温度係数（Negative Temperature Coefficient）を有する感温抵抗体であり、ＮＴＣサーミスタ、或いは単にサーミスタと呼ばれるものである。ＮＴＣ抵抗体７は、例えば、ＮｉＯ、ＣｏＯ、ＭｎＯ等の遷移金属の酸化物半導体を焼結したセラミックを利用できる。

ここで、ＮＴＣ抵抗体７の抵抗値は、燃料電池スタック２の温度に連動して変動させるように構成されているものとする。例えば、ＮＴＣ抵抗体７ａ，７ｂを燃料電池スタック２に接して配置したり、燃料電池スタック２から冷却液を排出する冷却液排出配管に接して配置することにより、ＮＴＣ抵抗体７の抵抗値を燃料電池スタック２の温度に連動させることができる。

次に、図２を参照して、この燃料電池システム１を使って、０℃から発電を開始した場合の様子を示す。図２（ａ）は、ＰＴＣヒータとＮＴＣ抵抗体の各抵抗値の時間変化、図２（ｂ）は、燃料電池スタックの温度の時間変化をそれぞれ示す。尚、燃料電池温度は、ほぼそのままＰＴＣヒータとＮＴＣ抵抗体との温度と考えることができる。

燃料電池スタック２の温度が低い発電開始直後においては、ＮＴＣ抵抗体７の抵抗値がＰＴＣヒータよりも大きいため、発電した電流はＰＴＣヒータ４を経由して負荷装置５へ流れる。このＰＴＣヒータ４の通電により、集電板３を介して燃料電池スタック２が加熱されるとともに、反応熱により燃料電池スタック２の内部からも加熱され、燃料電池温度が上昇をはじめる。燃料電池温度の上昇に伴ってＰＴＣヒータ４の抵抗値が上昇し、逆にＮＴＣ抵抗体７の抵抗値は減少する。抵抗値の変動に伴って発電した電流は、ＰＴＣヒータ４よりもＮＴＣ抵抗体７を流れる割合が大きくなる。そのため燃料電池温度の上昇速度は低下する。

時刻ｔ１において、燃料電池温度が通常発電時の温度に到達したときには、既に、ＰＴＣヒータ４の抵抗が大きくＮＴＣ抵抗体７の抵抗値は小さい状態になっている。このため燃料電池スタック２が発電した電流のほとんどがＮＴＣ抵抗体７を経由するため、途中で電力損失を起こすことなく負荷装置５に流れる。したがって、低温から定常発電に至るまでの間、特別な操作を行うことなく燃料電池の発電電力を燃料電池の加熱と負荷装置の駆動に分配することができる。

図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の概略構成を示す構成図である。実施例２の構成は、実施例１の燃料電池システムに、燃料電池スタック２へ冷却液を供給する冷却液供給配管１０、燃料電池スタック２から冷却液を排出する冷却液排出配管１１及び燃料電池の温度をＮＴＣ抵抗体７に伝える冷却液バイパス配管１２が追加されている。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

冷却液は、冷却液供給配管１０から燃料電池スタック２に供給され、冷却液排出配管１１から排出される。燃料電池スタック２から排出される冷却液は、燃料電池内部を代表する温度として使うことができるため、冷却液温度に応じてＮＴＣ抵抗体７の抵抗値を変動させることにより、燃料電池温度に応じて発電電力を燃料電池加熱用と負荷装置駆動用に分配することができる。ただ実施例２の場合は配管配置の問題から、冷却液流路をＮＴＣ抵抗体７の設置個所までまわすことができない。そこで冷却液排出配管１１から分岐し、ＮＴＣ抵抗体７に接する冷却液バイパス配管１２を設けることにより、ＮＴＣ抵抗体７の抵抗値が燃料電池から排出される冷却液温度に連動させることができる。

以上説明した本実施例２によれば、燃料電池の冷却液排出配管から分岐し、ＮＴＣ抵抗体と接した後、冷却液排出配管に戻る冷却液バイパス配管が設けられているため、主たる冷却液流路の配置を変えることなく燃料電池温度に応じてＮＴＣ抵抗体の抵抗値を変化させることができる。

図４は、本発明に係る燃料電池システムの実施例３の概略構成を示す構成図である。実施例３の構成は、実施例１の燃料電池システムに、燃料電池スタック２へ冷却液を供給する冷却液供給配管１０、燃料電池スタック２から冷却液を排出する冷却液排出配管１１、冷却液排出配管１１の温度をＮＴＣ抵抗体７ａ、７ｂに伝えるためのヒートパイプ１３及びＮＴＣ抵抗体台座１４が追加されている。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

本実施例において、ＮＴＣ抵抗体台座１４は、熱伝導性の高い金属製、例えば、銅製とした。燃料電池スタック２の発電を開始すると、冷却液排出配管１１を流れる冷却液の温度が上昇する。このときＮＴＣ抵抗体台座１４の温度は低いため、冷却液排出配管１１との間に温度差が生じる。この温度差によってヒートパイプ１３中の流体が移動し、冷却液の熱がＮＴＣ抵抗体台座１４に伝えられる。上記構成によって、システム配置の問題から冷却液配管とＮＴＣ抵抗体７を直接接触させることが難しい場合であっても、冷却液温度とＮＴＣ抵抗体の抵抗値を連動させることができ、燃料電池の発電電力を燃料電池の加熱と負荷装置の駆動に分配することができる。

以上説明した本実施例３によれば、燃料電池の冷却液排出配管と、ＮＴＣ抵抗体が熱伝達手段によって接続されているため、冷却液排出配管とＮＴＣ抵抗体が直接接することができない場合でも燃料電池温度に応じてＮＴＣ抵抗体の抵抗値を変化させることができる。この場合熱伝達手段として、たとえばヒートパイプや高熱伝導性を有する材料を使って、燃料電池の冷却液排出配管とＮＴＣ抵抗体を熱的に接続することができる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の概略構成を示す構成図である。 実施例１における燃料電池温度、およびＰＴＣヒータ・ＮＴＣ抵抗体の抵抗値の時間変動 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の概略構成を示す構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３の概略構成を示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３ａ，３ｂ：集電板
４ａ，４ｂ：ＰＴＣヒータ
５：負荷装置
６ａ，６ｂ：導線
７ａ，７ｂ：ＮＴＣ抵抗体
８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ：導線
１０：冷却液供給配管
１１：冷却液排出配管
１２：冷却液バイパス配管
１３：ヒートパイプ
１４：ＮＴＣ抵抗体台座

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池セルを少なくとも１つ含む積層体の両端部にそれぞれ集電板を配置した燃料電池と、
   一端子がそれぞれ前記集電板に機械的及び電気的に接し、他端子がそれぞれ負荷装置に接続され、抵抗値が正の温度係数を有する２つのＰＴＣヒータと、
   それぞれ前記集電板と前記負荷装置との間に接続され、抵抗値が負の温度係数を有する２つのＮＴＣ抵抗体と、
   を備え、
   前記ＮＴＣ抵抗体の抵抗値を前記燃料電池の温度に連動して変動させるように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ＮＴＣ抵抗体は、前記燃料電池に隣接するように配置された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. 前記燃料電池に冷却液を供給する冷却液供給配管と、
   前記燃料電池から冷却液を排出する冷却液排出配管と、を備え、
   前記冷却液排出配管と前記ＮＴＣ抵抗体とが接するように構成されてい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。
4. 前記冷却液排出配管から分岐し、前記ＮＴＣ抵抗体と接した後、前記冷却液排出配管の前記分岐の下流で合流する冷却液バイパス配管を備えた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. 前記燃料電池に冷却液を供給する冷却液供給配管と、
   前記燃料電池から冷却液を排出する冷却液排出配管と、
   前記冷却液排出配管から前記ＮＴＣ抵抗体へ伝熱する熱伝達手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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