JP2008103321A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システム及び燃料電池システムの運用方法を提供すること。
【解決手段】燃料電池システム１１として、電気生成反応により電流を生成するセル１０と、
前記セルと負荷とを電気的に連結して前記負荷への電流供給経路を形成する負荷回路と、前記セルを、前記負荷を経由しない電気的閉ループに連結するショート回路と、前記セルの温度を測定する温度センサー４０と、前記温度センサーの測定結果に応じ、前記セルで生成された電流を前記負荷回路とショート回路のいずれかに通電させるコントローラ３０と、を設ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運用方法に関する。

一般的に燃料電池は、燃料が持つ化学エネルギーを化学反応により直接電気エネルギーに変える装置であり、燃料が供給されるかぎり電気を作り続ける一種の発電装置である（特許文献１および特許文献２参照。）。図１は、このような燃料電池のエネルギー転換構造を概略的に示すものであり、図面のようにカソード１に酸素を含む空気が、アノード３に水素を含有した燃料が供給されれば、電解質膜２を通じて水の電気分解の逆反応が進められつつ電気が発生する。

ところが、通例的にこのような単位セル１０の一つで発生する電気は、有効に使われる程にその電圧が高くないため、複数のセル１０を連結したスタックの形態で使用する。

一方、このような燃料電池は、各セル１０の温度が適正温度以上に維持されて初めて正常な性能が発揮されるために、初期駆動時のようにまだセル１０が予熱されていない状態では正常の出力が出ないことが一般的である。したがって、駆動初期には負荷を連結しない状態でセル１０の化学反応を進めるうち、セル１０の温度が適正温度に到達した後に初めて、負荷を連結して電流を供給する式で燃料電池を運転することが望ましいといえる。

例えば、メタノールを水素供給源の燃料として使用するＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）のセル１０では、アノードに供給された燃料が負荷の連結如何に関係なく電解質膜をそのまま通過してカソードにある触媒と反応する、いわゆるクロスオーバ反応が起きる。このクロスオーバ反応が発熱反応であるために、燃料を供給すればセル１０の温度は上がる。したがって、所望の温度に到達するまでは電流を供給される負荷を連結せず、所望の温度に到達した時に初めて回路を連結して負荷に安定的な出力の電流を供給させることが、燃料電池の運転方法において望ましいと言える。

ところが、このような一般的な方式でシステムを構成して燃料電池を運用すれば、正常作業に入るまでかかる予熱時間がかなり長くかかるという問題がある。一例として、図２は、受動型ＤＭＦＣの単位セル１０に燃料を供給して初期駆動をした後、温度が正常運転が可能な温度、例えば、５０℃程度に到達した後に負荷を連結して正常運転を開始する場合の各セル電圧及び温度の変化を測定した結果を示すものである。

まず、燃料が供給されつつ各セル１０で化学反応が進められれば電圧が形成されるが、正常運転が可能な各セル１０の電圧Ｖ_ｔｈ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：ＯＣＶ、以下、作動電圧という｝を約０．５Ｖと見なした時、その電圧に到達する時間は約５分以内である。したがって、セル１０の出力電圧がこの作動電圧Ｖ_ｔｈに到達する時間は、燃料電池の運用に支障を与える程ではない。しかし、温度の上昇は、図示したように非常に緩やかな速度で進められてほぼ５０分程度が過ぎて初めて負荷を連結できる水準の温度Ｔ_ｔｈ（以下、作動温度という）に到達する。すなわち、燃料電池を起動させた後に、ほぼ１時間近く待って初めて負荷に電流を供給できるようになる。

そして、このような起動時だけでなく、非常に寒い環境で燃料電池を使用する場合には、正常作動中にもセルの温度が適正温度以下に下がる可能性があって、これを速く昇温させなければ、途中で負荷に電流供給が中断される問題も発生しうる。

したがって、このような問題点を解決するためには、燃料電池の起動時のようにセルの温度を速く昇温させる必要がある時、急速にセルを加熱できるシステムとその運用方案が要求されている。

特開２００６−０４８９４３ 特開２００５−０３８７２３

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、必要時にセルの温度を急速に加熱できる機能を備えた新規かつ改良された燃料電池システム及び燃料電池システムの運用方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電気生成反応により電流を生成するセルと、前記セルと負荷とを電気的に連結して前記負荷への電流供給経路を形成する負荷回路と、前記セルを、前記負荷を経由しない電気的閉ループに連結するショート回路と、前記セルの温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーの測定結果に応じ、前記セルで生成された電流を前記負荷回路とショート回路のいずれかに通電させるコントローラと、を備える燃料電池システムが提供される。

前記セルは複数設けられており、複数の前記セルの各々は直列に連結され、前記ショート回路には、前記複数のセルそれぞれのアノードとカソードとを閉ループに連結する単位セルショート回路と、直列に連結した前記複数セルの両側端セルの極を連結するスタックショート回路と、が備えられていてもよい。

前記ショート回路は、各単位セルのアノードとカソードとを直接連結する単位セルショート回路を複数備えてもよい。また、前記単位セルショート回路は、スイッチをさらに備えてもよい。

前記セルは、複数が直列に連結され、前記ショート回路は、最初の単位セルの端子と最後の単位セルの端子とが連結されたスタックショート回路を備えてもよい。また、前記スタックショート回路は、スイッチを備えてもよい。

また、当該燃料電池システムには負荷回路の電圧変動を補償するためのＤＣ−ＤＣコンバータがさらに備えられてもよい。また、前記負荷回路は、スイッチをさらに備えてもよい。

前記単位セルショート回路と前記スタックショート回路とは電気的に連結されてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、電気生成反応が進められるセルの温度を測定するステップと、
前記測定された温度が適正温度以上ならば、前記セルと負荷とを電気的に連結して電流を供給する正常作業を進めるステップと、前記測定された温度が適正温度未満ならば、前記セルを、前記負荷を経由しないショート回路に連結して急速発熱させるステップとを含むことを特徴とする、燃料電池システムの運用方法が提供される。

前記セルを急速発熱させるステップは、前記ショート回路のオン／オフを複数回反復しつつ進められてもよい。

前記セルは、それぞれ個別的なショート回路を持つ複数が備えられ、前記ショート回路のオン／オフ反復過程は、前記複数セルを一つずつ順次にオン／オフさせつつ進められてもよい。

前記セルは複数設けられており、複数の前記セル全体が一のショート回路に直列連結され、前記ショート回路のオン／オフ反復過程は、前記一のショート回路のオン／オフを反復しつつ進められてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、単位セルのスタック、ショート回路及び負荷回路を備えた燃料電池システムの運用方法において、前記スタックに燃料を供給するステップと、
前記スタックで生成された電流の電圧を感知するステップと、その感知された電圧によって前記ショート回路を利用して前記単位セルを加熱するステップと、前記負荷回路に電流を送るステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運用方法が提供される。

前記単位セルの加熱は、前記感知された電圧が作動電圧以上である時に進められてもよい。また、前記単位セルを加熱する間に、前記単位セルの温度を感知するステップをさらに含んでもよい。

前記電流を負荷回路に送るステップは、前記単位セルの感知温度が作動温度以上である時に進められてもよい。

前記単位セルを加熱する前に前記単位セルの温度を感知するステップをさらに含んでもよい。

前記単位セルの加熱は、前記感知された温度が作動温度以上である時には進められず、電流を負荷回路に送る過程が進められてもよい。

前記負荷回路に電流を送って前記単位セルの温度を感知するステップをさらに含んでもよい。また、前記単位セルの温度が作動温度以下に下がれば、前記単位セル加熱を反復するステップをさらに含んでもよい。

前記ショート回路は、各単位セルのショート回路を含み、前記単位セルの加熱は、そのショート回路の連続的な開閉過程を含んでもよい。

前記単位セルを加熱するステップは、ショート回路の連続的な開閉過程を含んでもよい。

以上説明したように本発明にかかる燃料電池システム及び燃料電池システムの運用方法によれば、必要時にセルの温度を急速に加熱できる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１１の構造を示すブロック図である。

本実施形態にかかる燃料電池システム１１は、複数のセル１０が連結されているスタック１５で生成された電流が、コントローラ３０の制御に基づいて負荷２０に選択的に連結されつつ供給される基本的な構造を有する。ここでは、スタック１５内に５個のセル１０が直列に連結された場合を例示しているが、セル１０の数は設計によってさらに多くなってもよくさらに少なくなってもよい。

そして、このような基本的な構造に加えて、本発明では各セル１０の温度を急速に高めるためのショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５がさらに備えられている。すなわち、各セル１０ごとにスイッチＳ_１〜Ｓ_５を通した単位セルショート回路Ｃ_１〜Ｃ_５が形成されており、スタック１５の全体にもスイッチＳ_０を通じるスタックショート回路Ｃ_０が構成されており、スイッチＳ_０〜Ｓ_５を閉じれば、セル１０で生成された電流が無負荷状態のショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５を通じて流れる。

このように無負荷状態のショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５に電流が流れれば、負荷２０と連結される負荷回路Ｃ_Ｌに通電される場合やまたは完全な回路が開放された状態である時より該当セル１０の温度がさらに速く上昇する。それは、前述したようにセル１０での電気生成反応が発熱反応である上に、ショート回路自体がその電気エネルギーをいずれも熱として放出させる極端な発熱回路であるためである。

したがって、スタック１５に設置された温度センサー４０でセル１０の温度を測定して、昇温の必要な場合にコントローラ３０がショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５のスイッチＳ_０〜Ｓ_５を制御し、選択的な昇温操作を行える。参照符号５０は、負荷回路Ｃ_Ｌを通じて負荷に印加される電圧の変動を減衰させるＤＣ−ＤＣコンバータを表す。

このような急速昇温操作は、もちろんワーミングアップが必要な初期起動時に多く使われる。図４は、初期起動時に急速昇温を行う過程を示すフローチャートである。示したように燃料電池を起動すれば、まず各セル１０に燃料を供給して電気生成反応を進める（Ｐ１）。この時には、ショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５と負荷回路Ｃ_ＬとのスイッチＳ_０〜Ｓ_５、Ｓ_Ｌがいずれも開いた状態である。

以後、セル１０で生成された電気が作動電圧Ｖ_ｔｈレベルまで到達すれば（Ｐ２）、次いで、前記ショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５を連結して急速昇温作業を開始する（Ｓ３）。すなわち、コントローラ３０の制御によりショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５のスイッチＳ_０〜Ｓ_５が閉じれば、セル１０で生成された電流が無負荷ショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５を通じて流れ、これにより、セル１０では電気生成の発熱反応と共に電気エネルギーの熱変換が進んで昇温作業が急速に進められる。

もちろん、この時のショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５を通じた通電作業は、温度センサー４０の測定値を基準として進められる。すなわち、セル１０の測定温度が設定値より高いか低いかを比較して、設定値より低い時にショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５を連結するようにコントローラ３０がスイッチＳ_０〜Ｓ_５を制御することである。この時、ショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５の連結は、長時間オン状態に維持させることよりは周期的にオン／オフを反復することが望ましい。

なぜなら、ショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５は、前述したように極端な発熱回路であるため、長時間オン状態を維持すれば、過熱によりセル１０が損傷する恐れがあるからである。そして、このようにショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５のオン／オフを反復する方法としては、オン／オフの周期は一定にし、単位周期内でオン時間とオフ時間とを可変させるデューティ可変方式が採用されてもよく、オン／オフ周期を変化させる周波数可変方式が採用されてもよい。

また、ショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５のオン／オフ反復は、スタックショート回路Ｃ_０のスイッチＳ_０をオン／オフさせつつ進めてもよく、図５のように、それぞれ単位セルショート回路Ｃ_１〜Ｃ_５のスイッチＳ_１〜Ｓ_５を順次にオン／オフさせつつ進めてもよい。

このようなショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５のオン／オフ反復が進められる間、セル１０では、前記のように電気生成時の発熱と、ショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５を通じた電気エネルギーの熱変換放出とが加えられつつ温度が速く上昇する（Ｐ３）。そして、この作業が反復されつつ時間が経過すれば、ついに温度が作動温度Ｔ_ｔｈに到達し（Ｐ４）、この時、コントローラ３０があらゆるショート回路Ｃ_０〜Ｃ_５はオフさせて負荷回路Ｃ_ＬのスイッチＳ_Ｌを閉じて、セル１０の電流を負荷２０に供給する正常作業モードに入る（Ｐ５）。

図６は、３４℃を作動温度と仮定し、既存の一般的なシステムと、前記のようにショート回路を持つ本発明のシステムとの初期起動時の昇温推移を比較測定したグラフである。本発明の場合は、急速昇温のために１秒当たり０．１秒ずつショート回路のオン状態を維持した。

その結果、グラフにも現れたように、既存のシステムではセルの温度が作動温度に到達するのに約４０分程度がかかるのに対して、本発明のシステムでは約２０分程度のみかかって、ワーミングアップ時間が半分程度に短縮することが分かる。すなわち、ショート回路による電気エネルギーの熱変換放出メカニズムが進みつつ必要な瞬間にセルの温度を速かに高めることができるので、例えば、初期起動時に正常作動まで待つ時間を大幅短縮できるようになった。

一方、本実施形態では主に初期起動時のワーミングアップ過程にショート回路を使用することを説明したが、正常作業中にも単位セルショート回路Ｃ_１〜Ｃ_５を連結して急速昇温操作を行うことができる。すなわち、寒い所で燃料電池が使われる場合ならば、正常作業中にもセル１０の温度が作動温度下に下がることがあるため、その時には同様に単位セルショート回路Ｃ_１〜Ｃ_５を連結して瞬間的な昇温を誘導できる。

もちろん、正常作業中にスタックショート回路Ｃ_０をオン／オフさせるならば、スタック１５で発生する電圧値が大きく揺れるが、単位セルショート回路Ｃ_１〜Ｃ_５を順次にオン／オフさせれば、負荷回路Ｃ_Ｌで瞬間的な電圧変化を緩衝させるＤＣ−ＤＣコンバータ５０が十分にカバーできる程度であるため、問題は生じない。

したがって、必要時にセル１０の温度を急上昇させることができる非常に効率的な燃料電池システムとその運用方法が具現されたのである。

以上説明したように、本実施形態によれば以下のような効果を提供する。
第１に、初期起動時にショート回路を利用したセルの急速加熱が可能なために、ワーミングアップにかかる時間を大幅短縮できる。
第２に、正常作業中にもショート回路を利用してセルの温度を速く上昇させることができるので、寒い環境でセルの温度が低下する場合に有効に使われうる。

なお、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、燃料電池システム関連の技術分野に好適に用いられる。

一般的な燃料電池の電気生成原理を説明する図面である。 従来の燃料電池において起動時の電圧及び温度の変化を測定したグラフである。 本発明による燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 図３の燃料電池システムを利用した運用過程を示すフローチャートである。 図３の燃料電池システムでショート回路をオン／オフさせる方法の一例を示す図面である。 図３に図示された燃料電池システムを起動した時の温度及び電圧の変化を従来と比較して示すグラフである。

符号の説明

１０ セル
１１ 燃料電池システム
１５ スタック
２０ 負荷
３０ コントローラ
４０ 温度センサー
５０ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (23)

1. 電気生成反応により電流を生成するセルと；
   前記セルと負荷とを電気的に連結して前記負荷への電流供給経路を形成する負荷回路と；
   前記セルを、前記負荷を経由しない電気的閉ループに連結するショート回路と；
   前記セルの温度を測定する温度センサーと；
   前記温度センサーの測定結果に応じ、前記セルで生成された電流を前記負荷回路とショート回路のいずれかに通電させるコントローラと；
   を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
2. 前記セルは複数設けられており、複数の前記セルの各々は直列に連結され、
   前記ショート回路には、前記複数のセルそれぞれのアノードとカソードとを閉ループに連結する単位セルショート回路と、直列に連結した前記複数セルの両側端セルの極を連結するスタックショート回路と、が備えられ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. 前記ショート回路は、各単位セルのアノードとカソードとを直接連結する単位セルショート回路を複数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。
4. 前記単位セルショート回路は、スイッチをさらに備え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. 前記セルは、複数が直列に連結され、
   前記ショート回路は、最初の単位セルの端子と最後の単位セルの端子とが連結されたスタックショート回路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。
6. 前記スタックショート回路は、スイッチを備えることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 負荷回路の電圧変動を補償するためのＤＣ−ＤＣコンバータがさらに備えら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。
8. 前記負荷回路は、スイッチをさらに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。
9. 前記単位セルショート回路と前記スタックショート回路とは電気的に連結されたことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
10. 電気生成反応が進められるセルの温度を測定するステップと；
    前記測定された温度が適正温度以上ならば、前記セルと負荷とを電気的に連結して電流を供給する正常作業を進めるステップと；
    前記測定された温度が適正温度未満ならば、前記セルを、前記負荷を経由しないショート回路に連結して急速発熱させるステップと；
    を含むことを特徴とする、燃料電池システムの運用方法。
11. 前記セルを急速発熱させるステップは、前記ショート回路のオン／オフを複数回反復しつつ進められることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システムの運用方法。
12. 前記セルは、それぞれ個別的なショート回路を持つ複数が備えられ、
    前記ショート回路のオン／オフ反復過程は、前記複数セルを一つずつ順次にオン／オフさせつつ進められることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システムの運用方法。
13. 前記セルは複数設けられており、複数の前記セル全体が一のショート回路に直列連結され、
    前記ショート回路のオン／オフ反復過程は、前記一のショート回路のオン／オフを反復しつつ進められることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システムの運用方法。
14. 単位セルのスタック、ショート回路及び負荷回路を備えた燃料電池システムの運用方法において、
    前記スタックに燃料を供給するステップと；
    前記スタックで生成された電流の電圧を感知するステップと；
    その感知された電圧によって前記ショート回路を利用して前記単位セルを加熱するステップと；
    前記負荷回路に電流を送るステップと；
    を含むことを特徴とする、燃料電池システムの運用方法。
15. 前記単位セルの加熱は、前記感知された電圧が作動電圧以上である時に進められることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システムの運用方法。
16. 前記単位セルを加熱する間に、前記単位セルの温度を感知するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システムの運用方法。
17. 前記電流を負荷回路に送るステップは、前記単位セルの感知温度が作動温度以上である時に進められることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池システムの運用方法。
18. 前記単位セルを加熱する前に前記単位セルの温度を感知するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システムの運用方法。
19. 前記単位セルの加熱は、前記感知された温度が作動温度以上である時には進められず、電流を負荷回路に送る過程が進められることを特徴とする、請求項１８に記載の燃料電池システムの運用方法。
20. 前記負荷回路に電流を送って前記単位セルの温度を感知するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システムの運用方法。
21. 前記単位セルの温度が作動温度以下に下がれば、前記単位セル加熱を反復するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載の燃料電池システムの運用方法。
22. 前記ショート回路は、各単位セルのショート回路を含み、
    前記単位セルの加熱は、そのショート回路の連続的な開閉過程を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システムの運用方法。
23. 前記単位セルを加熱するステップは、ショート回路の連続的な開閉過程を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システムの運用方法。

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