JP2014041808A - 燃料電池の始動装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池車両に搭載された高電圧バッテリーが完全に放電して非常事態となっても、高電圧電源のアシストがなしで燃料電池を始動させることができる燃料電池の始動装置及び方法を提供する。
【解決手段】燃料電池の始動装置は、燃料電池スタック１０の空気極に空気を供給する空気供給ラインに非常用空気供給機６０を締結させる空気供給ポート６２を形成し、高電圧バッテリーの完全放電時に燃料電池スタックに空気を供給するための非常用空気供給機を空気供給ポートに分離可能に締結させる。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池の始動装置は、燃料電池スタック１０の空気極に空気を供給する空気供給ラインに非常用空気供給機６０を締結させる空気供給ポート６２を形成し、高電圧バッテリーの完全放電時に燃料電池スタックに空気を供給するための非常用空気供給機を空気供給ポートに分離可能に締結させる。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池の始動装置及び方法に係り、より詳しくは、燃料電池車両に搭載された高電圧バッテリーが完全に放電したような非常事態に、高電圧電源のアシストがなくても燃料電池を始動させることができる燃料電池の始動装置及び方法に関する。
最近、自動車メーカーは、原油高及びＣＯ２規制により水素燃料電池電気車及び純粋電気車などの環境に優しい車両の開発に総力を傾けている。環境に優しい車両の１つである水素燃料電池電気車は、水素と空気の電気化学的反応を用いて電気を生産し、生産された電気を用いてモータを駆動させて車両走行を図る車両であって、燃料電池スタックへの水素と空気の円滑な供給のために高電圧部品（例えば、空気ブロワー、ポンプなど）が使用されており、さらに、燃料電池の始動時にも高電圧電気を供給する高電圧部品を使用している。
一般に内燃機関車両（ガソリン、ディーゼル）は、低電圧バッテリーが放電された時、低電圧バッテリーに電源を供給して（ジャンプスタート）容易に始動させることができるが、電気自動車の場合は高電圧バッテリーの放電時に特に対処法がない。すなわち、純粋電気車の一種の燃料電池車両は、高電圧バッテリーやスーパーキャパシタを用いて燃料電池の始動時に高電圧電気を供給するが、バッテリーの放電や、異常発生時には始動が不可能となる問題がある。
そのため、最近、純粋電気自動車の高電圧バッテリーの完全放電により車両が駆動不可状態に陥ると、消費者に不都合を与えるだけでなく莫大なメンテナンス費用を要することになる。また、定置型燃料電池の場合、高電圧バッテリーよりも高電圧パワーサプライを用いて始動時に高電圧を供給するが、高電圧パワーサプライの故障や停電時に始動が不可能となる問題がある。また、建物の停電時にＵＰＳ（ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ）を非常電源として使用しにくいという制約がある。このように水素燃料電池電気車及び純粋電気車、ハイブリッド電気車等の高電圧バッテリーが放電される場合、再始動が不可能となる。再始動の方案として高電圧充電ポートが提案されているが、過大投資及びパッケージング上の理由で実現されていない。
本発明は、上記の点を考慮してなされたもので、本発明の目的は、燃料電池車両に搭載された高電圧バッテリーなどの高電圧電源が放電された非常状態でも、高電圧電源のアシストなしに燃料電池自体で始動させるようにする燃料電池の始動装置及び方法を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明による燃料電池の始動装置は、燃料電池スタック（１０）の空気極に空気を供給する空気供給ラインに非常用空気供給機（６０）を締結させる空気供給ポート（６２）を形成し、高電圧バッテリーの完全放電時に燃料電池スタック（１０）に空気を供給するための非常用空気供給機（６０）を空気供給ポート（６２）に分離可能に締結させることを特徴とする。
非常用空気供給機（６０）は、空気ブロワー（３２）の空気入口ライン（３４）に脱去可能に装着されることを特徴とする。
非常用空気供給機（６０）は、圧縮空気が充填された圧縮空気シリンダーまたはボンベ、低電圧電源で作動するファンから選択された何れか１つが使用されることを特徴とする。
空気ブロワー（３２）の空気入口ライン（３４）に受動または自動制御式開閉バルブ（６４）が装着されることを特徴とする。
本発明による燃料電池の始動方法は、高電圧バッテリー（５０）が完全に放電される非常事態に空気ブロワー（３２）の空気入口ライン（３４）に形成された空気供給ポート（６２）に非常用空気供給機（６０）を締結する段階と、非常用空気供給機（６０）内の圧縮空気が燃料電池スタック（１０）の空気極に供給される段階と、燃料電池スタック（１０）の空気極に供給された空気と燃料極に供給された水素の電気化学的反応により燃料電池スタックの電気生産が行われる段階と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、燃料電池車両の高電圧バッテリーが放電された非常状態でも非常用空気供給機を空気供給ラインにワンタッチ締結方式で締結させる簡単な操作だけで燃料電池を始動させることができる。燃料電池車両の高電圧バッテリーの完全放電時に運転者が直接現場にて制御可能となり、燃料電池車両の便宜性、商品性、安全性などを向上させることができる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。
先ず、本発明の理解を助けるために、水素燃料電池電気車に搭載される燃料電池のシステム構成を説明する。燃料電池車両に搭載される燃料電池システムは、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システムと、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給するように空気ブロワー及び加湿器を含む空気供給システムと、燃料電池スタックの運転温度を制御する熱及び水管理システムなどを含む。
図３に示すように、燃料供給システム２０は、燃料電池スタック１０の燃料極に水素を供給するための水素タンク２１と、スタックで反応を完了した一部の水素を再供給するための水素供給ブロワー２２などを含んで構成され、空気供給システム３０は外気から異質物をフィルタリングするフィルタ３１と、フィルタリングされた空気を吸入する空気ブロワー３２と、乾燥空気を加湿してスタック１０の空気極に供給する加湿器３３などを含んで構成され、熱及び水管理システム４０は燃料電池スタック１０の冷却水出口側から入口側方向に沿って水ポンプ４１、電動式サーモスタット、ラジエーター４２などが順次配置される。
特に、燃料電池の始動のためには、空気ブロワー３２などの高電圧部品を作動しなければならないが、そのために各高電圧部品に電源を供給する高電圧バッテリー５０やスーパーキャパシタなどの高電圧電源供給手段が搭載されている。この時、水素供給ブロワー２２を始めとする水ポンプ４１などは、１２Ｖ補助バッテリー（図示せず）の電源を使用するので、始動時の作動に問題がない。しかし、上述したように高電圧バッテリー５０の完全放電や、異常発生時には空気ブロワー３２などが作動できなくなり、燃料電池の始動が不可能となる。
そのため、高電圧バッテリー５０が完全に放電される状態に備えて、図２に示すように、高電圧バッテリー５０に外部電源を供給充電するための外部充電ポート５２を燃料電池車両に装着し、外部充電ポート５２を用いて高電圧バッテリー５０を充電した後、高電圧供給装置５４を駆動する方案が提案されたが、外部充電ポート５２の開発費が高く、装着のための設計及びパッケージングが困難であるため、いまだ実現されていない。したがって、高電圧バッテリー５０の放電による非常時の燃料電池の新しい始動方案が要求されている。
本発明は、高電圧バッテリー５０の放電時、高電圧バッテリー５０の電源を必要とする空気ブロワーの代わりに、燃料電池スタックに空気を供給するための非常用空気供給機を提供する。図１に示すように、本発明による非常用空気供給機６０は、燃料電池スタックの空気極の入口位置、好ましくは空気ブロワー３２の空気入口ライン３４に脱去可能に装着され、圧縮空気が充填された圧縮空気シリンダーまたはボンベ、低電圧電源（例えば、バッテリー）で作動するファンなどを使用することができる。
また、空気ブロワー３２の空気入口ライン３４には非常用空気供給機６０を通常のワンタッチ締結方式（例えば、携帯用ガスレンジにブタンガスカートリッジを締結する方式など）で締結する空気供給ポート６２が形成される。好ましくは、空気ブロワー３２の空気入口ライン３４に受動または自動制御式開閉バルブ６４をさらに装着して平常時には閉鎖し、非常用空気供給機６０の締結時には空気供給のために開放する。
次に、前記構成に基づいた本発明の燃料電池の始動方法を説明する。高電圧バッテリー５０の充電量が正常状態である場合は、空気ブロワー３２が高電圧バッテリー５０を電源として正常稼働するため、空気ブロワー３２の空気入口ライン３４に装着された開閉バルブ６４を閉鎖して維持する。高電圧バッテリー５０が完全に放電される非常事態には空気ブロワー３２を用いて燃料電池スタック１０に一時的に空気を供給するために、空気ブロワー３２の空気入口ライン３４に形成された空気供給ポート６２に非常用空気供給機６０を締結した後、開閉バルブ６４を開放する。すなわち、空気ブロワー３２の空気入口ライン３４に形成された空気供給ポート６２に圧縮空気が充填された圧縮空気シリンダーまたはボンベ、低電圧電源で作動するファンを選択的に締結させるが、上述したように通常のワンタッチ締結方式で締結させる。
したがって、非常用空気供給機６０内の圧縮空気が空気ブロワー３２及び加湿器をそのまま通過して燃料電池スタック１０の空気極に供給される。この時、車両内に搭載される１２Ｖ補助バッテリーを電源として水素供給ブロワー２２などが稼動して水素タンク内の水素が燃料電池スタック１０の燃料極に供給される。したがって、水素と空気の電気化学的反応を用いて燃料電池スタックで電気を生産することになる。具体的には、燃料電池スタックの燃料極で水素の酸化反応が行われて水素イオン（Ｐｒｏｔｏｎ）と電子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が発生するが、この時、生成された水素イオンと電子はそれぞれ電解質膜と分離板を介して空気極に移動し、空気極では燃料極から移動してきた水素イオンと電子、空気中の酸素が電気化学反応して水を生成すると共に電子の流れから電気エネルギーを生成する。
この時、高電圧供給装置により、燃料電池スタックで生成された高電圧を高電圧部品の空気ブロワー３２に供給することで、空気ブロワー３２が正常に駆動される。このように燃料電池の正常始動後、非常用空気供給機６０を取り外す共に開閉バルブ６４を閉鎖する。必要に応じて非常用空気供給機６０は再使用することができる。上述したように、高電圧バッテリーの放電時にも非常用空気供給機を用いて燃料電池の始動、すなわち、燃料電池スタックの電気生産が正常に行われることにより、燃料電池車両の高電圧バッテリーの完全放電時に現場にて制御可能となり、燃料電池車両の便宜性、商品性、安全性などを向上させることができる。
本発明は、非常事態に高電圧電源のアシストがなくても燃料電池を始動させることができ、燃料電池の始動装置及び方法として好適である。
１０ 燃料電池スタック
２０ 燃料供給システム
２１ 水素タンク
２２ 水素供給ブロワー
３０ 空気供給システム
３１ フィルタ
３２ 空気ブロワー
３３ 加湿器
４０ 熱及び水管理システム
４１ 水ポンプ
４２ ラジエーター
５０ 高電圧バッテリー
５２ 外部充電ポート
５４ 高電圧供給装置
６０ 非常用空気供給機
６２ 空気供給ポート
６４ 開閉バルブ
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２２ 水素供給ブロワー
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４１ 水ポンプ
４２ ラジエーター
５０ 高電圧バッテリー
５２ 外部充電ポート
５４ 高電圧供給装置
６０ 非常用空気供給機
６２ 空気供給ポート
６４ 開閉バルブ
Claims (6)
- 燃料電池スタック（１０）の空気極に空気を供給する空気供給ラインに非常用空気供給機（６０）を締結させる空気供給ポート（６２）を形成し、高電圧バッテリーの完全放電時に燃料電池スタック（１０）に空気を供給するための非常用空気供給機（６０）を空気供給ポート（６２）に分離可能に締結させることを特徴とする燃料電池の始動装置。
- 非常用空気供給機（６０）は、空気ブロワー（３２）の空気入口ライン（３４）に脱去可能に装着されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の始動装置。
- 非常用空気供給機（６０）は、圧縮空気が充填された圧縮空気シリンダーまたはボンベ、低電圧電源で作動するファンから選択された何れか１つが使用されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の始動装置。
- 空気ブロワー（３２）の空気入口ライン（３４）に受動または自動制御式開閉バルブ（６４）が装着されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の始動装置。
- 高電圧バッテリー（５０）が完全に放電される非常事態に空気ブロワー（３２）の空気入口ライン（３４）に形成された空気供給ポート（６２）に非常用空気供給機（６０）を締結する段階と、
非常用空気供給機（６０）内の圧縮空気が燃料電池スタック（１０）の空気極に供給される段階と、
燃料電池スタック（１０）の空気極に供給された空気と燃料極に供給された水素の電気化学的反応により燃料電池スタックの電気生産が行われる段階と、
を含むことを特徴とする燃料電池の始動方法。
- 非常用空気供給機（６０）は、燃料電池スタック（１０）の空気極で空気の一時的供給が可能な圧縮空気が充填された圧縮空気シリンダーまたはボンベ、低電圧電源で作動するファンから選択された何れか１つが使用されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の始動方法。
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