JP2010123314A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、発電中に、燃料電池スタックの端部セルを保温するとともに、燃料電池システムの始動性を向上させる。
【解決手段】燃料電池システム１０００は、燃料電池スタック１００と、燃料電池スタック１００における単セル１０の積層方向の端部に接続され、この端部の熱容量を変化させることができる熱容量可変部２０と、燃料電池スタック１００の温度を検出する温度センサ３０と、温度センサ３０によって検出された燃料電池スタック１００の温度が所定の閾値以下になったときに、燃料電池スタック１００の端部の熱容量が減少するように、熱容量可変部２０を制御する制御ユニット４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。このような燃料電池（単セル）を複数積層した燃料電池スタックでは、各単セルのカソードにおいて、発電時に、カソード反応によって、水（生成水）が生成される。そして、燃料電池スタックにおいて、単セルの積層方向の端部に配置された単セル（以下、端部セルと呼ぶ）は、放熱によって、中央部に配置された単セルよりも温度が低くなる。このため、端部セルでは、飽和水蒸気圧が低下し、生成水が凝縮しやすくなり、フラッディングやガス分配の不均一が生じやすくなる。

そこで、従来、燃料電池スタックの端部セルに隣接して蓄熱材を配置することによって、端部セルの保温が行われる場合があった。こうすることによって、発電中の端部セルの温度低下を抑制し、フラッディングやガス分配の不均一を抑制することができる。

特開２００６−１５６２９８号公報

しかし、燃料電池スタックの端部セルに隣接して蓄熱材を配置する場合、発電が停止されて長時間が経過し、燃料電池スタックの温度が十分に低下した後に燃料電池スタックを始動する場合には、蓄熱材を加熱するためのエネルギを必要とするため、燃料電池スタックの始動性が悪かった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、発電中に、燃料電池スタックの端部セルを保温するとともに、燃料電池システムの始動性を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにおける前記単セルの積層方向の端部に接続され、該端部の熱容量を変化させるための熱容量可変部と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部によって検出された前記燃料電池スタックの温度が所定の閾値以下になったときに、前記端部の熱容量が減少するように、前記熱容量可変部を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。

適用例１の燃料電池システムでは、発電中には、燃料電池スタックの端部の熱容量が増大するように、上記熱容量可変部を制御することによって、端部セルの保温を行うことができる。また、発電停止後、燃料電池スタックの温度が所定の閾値以下になったときには、燃料電池スタックの端部の熱容量が減少するように、上記熱容量可変部を制御することによって、燃料電池スタックの端部の熱容量を減少させ、燃料電池スタックの暖機を速やかに行えるようにすることができる。つまり、適用例１の燃料電池システムによって、発電中に、燃料電池スタックの端部セルを保温するとともに、燃料電池システムの始動性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル１０を、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル１０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。

燃料電池スタック１００における単セル１０の積層方向の端部には、熱容量可変部２０が接続されている。この熱容量可変部２０は、燃料電池スタック１００との接続部以外が断熱材からなるケース２１と、蓄熱部材２２とを備えており、ケース２１内で蓄熱部材２２をアクチュエータ（図示省略）によってスライドさせることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を変化させることができる。具体的には、蓄熱部材２２を燃料電池スタック１００側（図の左側）にスライドさせることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を増大させることができる。また、蓄熱部材２２を燃料電池スタック１００から離れる側（図の右側）にスライドさせることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を減少させることができる。なお、熱容量可変部２０は、後述するように、燃料電池スタック１００に設けられた温度センサ３０の出力に基づいて制御される。

また、図示は省略しているが、燃料電池スタック１００には、各単セル１０のアノードに燃料ガスとしての水素を供給するための水素供給配管や、アノードから排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出するためのアノードオフガス排出配管や、各単セル１０のカソードに酸化剤ガススとしての空気を供給するための空気供給配管や、カソードから排出されるカソードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出するためのカソードオフガス排出配管や、各単セル１０に冷却水を循環させるための冷却水循環系が接続されている。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット４０によって制御される。制御ユニット４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。バッテリ５０は、燃料電池スタック１００によって発電された電力を蓄電可能であり、燃料電池スタック１００による発電が停止されているときに利用される。

図２は、燃料電池システム１０００の運転停止後の燃料電池スタック１００の温度変化を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム１０００の運転停止後、燃料電池スタック１００の温度は、放熱によって、時間の経過とともに低下する。そして、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池システム１０００の運転停止後に、制御ユニット４０が、バッテリ５０の電源を用いて、熱容量可変部２０の制御を行う。

燃料電池スタック１００による発電中は、熱容量可変部２０において、蓄熱部材２２は、燃料電池スタック１００側にスライドされている。こうすることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を増大させて蓄熱し、放熱によって温度が低下しやすい端部セルの保温を行うことができる。そして、制御ユニット４０は、燃料電池システム１０００の運転停止後、燃料電池スタック１００の温度を監視し、燃料電池スタック１００の温度が閾値Ｔｔｈ以下になったときに（時刻ｔ）、蓄熱部材２２を燃料電池スタック１００から離れる側にスライドさせる。こうすることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を減少させ、燃料電池システム１０００の再始動時に、燃料電池スタック１００の暖機を速やかに行えるようにすることができる。

以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、発電中に、燃料電池スタック１００の端部セルを保温するとともに、燃料電池スタック１００の温度の低下後、燃料電池システム１０００の始動性を向上させることができる。

Ｂ．第２実施例：
図３は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１０００Ａの構成は、熱容量可変部２０Ａ、および、制御ユニット４０Ａを除き、第１実施例の燃料電池システム１０００の構成と同じである。

本実施例では、燃料電池スタック１００における単セル１０の積層方向の端部には、熱容量可変部２０Ａが接続されている。この熱容量可変部２０Ａは、燃料電池スタック１００との接続部以外が断熱材からなるタンク２３と、タンク２３に不凍液（ＬＬＣ）を導入するための導入配管２４と、導入配管２４に配設されたバルブ２５と、タンク２３から不凍液を排出するための排出配管２６と、排出配管２６に配設されたバルブ２７とを備えている。そして、タンク２３内の不凍液の量を変化させることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を変化させることができる。具体的には、タンク２３内の不凍液の量を増大させることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を増大させることができる。また、タンク２３内の不凍液の量を減少させることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を減少させることができる。なお、熱容量可変部２０Ａは、第１実施例における熱容量可変部２０と同様に、燃料電池スタック１００に設けられた温度センサ３０の出力に基づいて制御される。

本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、燃料電池システム１０００Ａの運転停止後に、制御ユニット４０Ａが、バッテリ５０の電源を用いて、熱容量可変部２０Ａの制御を行う。

燃料電池スタック１００による発電中は、熱容量可変部２０Ａにおいて、バルブ２７が閉弁された状態でバルブ２５が開弁され、タンク２３内に不凍液が充填されている。こうすることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を増大させて蓄熱し、放熱によって温度が低下しやすい端部セルの保温を行うことができる。そして、制御ユニット４０Ａは、燃料電池システム１０００の運転停止後、燃料電池スタック１００の温度を監視し、燃料電池スタック１００の温度が閾値Ｔｔｈ以下になったときに（時刻ｔ）、バルブ２７を開弁して、タンク２３内の不凍液を排出する。こうすることによって、燃料電池スタック１００の端部の熱容量を減少させ、燃料電池システム１０００Ａの再始動時に、燃料電池スタック１００の暖機を速やかに行えるようにすることができる。

以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０００Ａによっても、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、発電中に、燃料電池スタック１００の端部セルを保温するとともに、燃料電池スタック１００の温度の低下後、燃料電池システム１０００の始動性を向上させることができる。

本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 燃料電池システム１０００の運転停止後の燃料電池スタック１００の温度変化を示す説明図である。 本発明の第２実施例としての燃料電池システム１０００Ａの概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１０００，１０００Ａ…燃料電池システム
１０…単セル
１００…燃料電池スタック
２０，２０Ａ…熱容量可変部
２１…ケース
２２…蓄熱部材
２３…タンク
２４…導入配管
２５…バルブ
２６…排出配管
２７…バルブ
３０…温度センサ
４０，４０Ａ…制御ユニット
５０…バッテリ

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する単セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックにおける前記単セルの積層方向の端部に接続され、該端部の熱容量を変化させるための熱容量可変部と、
   前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部によって検出された前記燃料電池スタックの温度が所定の閾値以下になったときに、前記端部の熱容量が減少するように、前記熱容量可変部を制御する制御部と、
   を備える燃料電池システム。

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