JP2015153563A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの起動性を向上させるとともに、２次電池の搭載量を削減する方法を提供する。
【解決手段】移動体の動力源として燃料電池ユニット２と２次電池３とを有するハイブリッド型の燃料電池システム１であって、燃料電池ユニット２は、冷却ファン８を用いて空気を送風することによって冷却される空冷式燃料電池４と、電池内部に冷却水を循環することによって冷却される水冷式燃料電池５とを一体的に設け、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５の起動を制御する起動制御手段３３を備え、起動制御手段３３は水冷式燃料電池５より先に空冷式燃料電池４の起動を開始させる。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池システムに係り、特に、燃料電池ユニットと２次電池とを有するハイブリッド型の燃料電池システムに関する。

車両などの移動体の動力源として搭載される燃料電池システムは、酸素と水素との化学反応によって発電する燃料電池ユニットを備えている。燃料電池ユニットには、発電時の発熱を冷却するために、冷媒として空気を利用した空冷式燃料電池、水を利用した水冷式燃料電池がある。空冷式燃料電池は、冷却ファンを用いて電池内部に空気を送風することによって冷却される。水冷式燃料電池は、電池内部の循環経路に冷却水を循環することによって冷却される。
燃料電池システムには、空冷式燃料電池、あるいは水冷式燃料電池のみを有するシステムの他に、空冷式燃料電池と水冷式燃料電池とを組み合わせたハイブリッド型の燃料システムがある。
従来のハイブリッド型の燃料電池システムには、特開２００２−１５７４９号公報に、比較的高温で運転される高温型のリン酸型燃料電池と比較的低温で運転される低温型の固体高分子型燃料電池とを有するハイブリッド型の燃料システムであって、低温時には低温型の固体高分子型燃料電池を運転し、高温時には固体高分子型燃料電池の運転を停止して高温型のリン酸型燃料電池を運転することで運転温度領域を分担させ、効率向上を図った技術が開示されている。

特開２００２−１５７４９号公報

ところで、ハイブリッド型の燃料電池システムには、空冷式燃料電池と水冷式燃料電池と２次電池とを有し、システムを起動してから空冷式燃料電池と水冷式燃料電池とによる通常発電が開始されるまでの時間中は２次電池に蓄えられた電力により走行を可能としたシステムがある。
前記水冷式燃料電池は、出力密度が高く、高出力を必要とするシステムに適している。しかし、水冷式燃料電池は、構成が複雑で、冷却に液体を用いるため、起動して発電が可能となるまで暖機に時間がかかる問題がある。水冷式燃料電池のカソード極に発電用の空気を送るブロアは、それほど高い流量・静圧は必要ない。水素と反応した後の排風には、生成水が多量に合まれる。
前記空冷式燃料電池は、出力密度が低く、低出力のシステムに適している。空冷式燃料電池は、システム構成が簡素で冷媒が空気あり、その空気がカソード極の反応酸素を兼ねている。空冷式燃料電池は、起動して発電が可能となるまでの暖機が早く、冷却風は大流量で静圧も高い。水素と反応した後の排風に含まれる生成水は、大流量の排風により蒸発している。一方で、空冷式燃料電池は、排風が大流量であるがゆえにＭＥＡ（膜電極接合体）が乾燥してしまい、出力低下・劣化を招く問題がある。そのため、空冷式燃料電池は、加湿機構を設けて、ＭＥＡを湿潤している。

輸送機器などの移動体に搭載された燃料電池システムの場合、走行可能となるまでの起動時間短縮のため、燃料電池の暖機が完了し、発電が安定するまでの間（起動してから通常発電が開始されるまでの時間）、搭載された２次電池に蓄えられた電力により走行を可能としている。しかしながら、燃料電池の暖機完了までの間の電力容量を確保するためには、２次電池を大容量とする必要があり、２次電池の搭載量が増加してしまう問題がある。

また、前記特開２００２−１５７４９号公報のように、高温型の燃料電池と低温型の燃料電池とを有する燃料電池システムは、作動温度領域をそれぞれの燃料電池で分担することにより効率向上を果たすことができる一方で、高温型の燃料電池と低温型の燃料電池とをそれぞれを並列に設置しているだけなので、システムの簡素化ができていずに構造が複雑であり、システムが大型で移動体への搭載が困難な問題がある。

この発明は、燃料電池システムの起動性を向上させるとともに、２次電池の搭載量を削減することを目的とする。

この発明は、
移動体の動力源として燃料電池ユニットと２次電池とを有するハイブリッド型の燃料電池システムであって、前記燃料電池ユニットは、冷却ファンを用いて空気を送風することによって冷却される空冷式燃料電池と、電池内部に冷却水を循環することによって冷却される水冷式燃料電池とを一体的に設け、前記空冷式燃料電池および水冷式燃料電池の起動を制御する起動制御手段を備え、前記起動制御手段は前記水冷式燃料電池より先に前記空冷式燃料電池の起動を開始させることを特徴とする。

この発明は、起動時間の短い空冷式燃料電池を先行して起動させることにより、起動してから通常発電が開始されるまでの時間を短縮できるため、システムの起動性を向上させることができ、また、起動してから通常発電が開始されるまでの時間に使用される電力を蓄える２次電池を小容量化でき、２次電池の搭載量を削減することができる。

図１は燃料電池システムのブロック図である。（実施例） 図２は燃料電池システムの空気と水と電気との流れを示す図である。（実施例） 図３は燃料電池システムの起動判定の制御フローチャートである。（実施例） 図４は燃料電池システムの排気熱の制御フローチャートである。（実施例）

以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図４は、この発明の実施例を示すものである。図１において、車両などの移動体に搭載された燃料電池システム１は、動力源として燃料電池ユニット２と２次電池３とを有しいてるハイブリッド型である。燃料電池ユニット２は、起動時間の短い空冷式燃料電池４と起動時間の長い水冷式燃料電池５とを一体的に設けている。空冷式燃料電池４は、電池内部に空気を送風することによって冷却される。水冷式燃料電池５は、電池内部に冷却水を循環することによって冷却される。
前記空冷式燃料電池４は、電極として、酸素を供給するカソード極６と水素を供給するアノード極７とを有している。空冷式燃料電池４は、外気を吸引する空気ファン８を備えている。空気ファン８によって吸引された外気は、吸気流路９によりカソード極６に供給される。また、空冷式燃料電池４は、水素供給装置１０によって水素をアノード極７に供給される。空冷式燃料電池４は、酸素と水素との電気化学反応により発電し、この発電に付随して水を生成する。カソード極６に供給された空気は、アノード極７に供給された水素との反応ガスとして発電反応に供されるのみでなく、発電反応により発生した熱を奪い、空冷式燃料電池４を冷却する。水素との反応後の空気及び空冷式燃料電池４を冷却後の空気は、空気ファン８によって生成水とともに排気流路１１に排出される。
前記水冷式燃料電池５は、電極として、酸素を供給するカソード極１２と水素を供給するアノード極１３とを有している。水冷式燃料電池５は、空冷式燃料電池４の排気流路１１に排出された空気を吸気流路１４によりカソード極１２に供給される。また、水冷式燃料電池５は、前記水素供給装置１０によって水素をアノード極１３に供給される。水冷式燃料電池５は、酸素と水素との電気化学反応により発電し、この発電に付随して水を生成する。カソード極１２に供給された空気は、アノード極１３に供給された水素との反応ガスとして発電反応に供される。水素との反応後の空気は、生成水とともに排気流路１５に排出される。排気流路１５に排出された空気は、気水分離機１６により生成水を分離され、外気に排気される。
水冷式燃料電池５は、冷却水を循環させる循環流路１７を備えている。循環流路１７には、冷却水を送給する循環ポンプ１８と、冷却水の放熱を行うラジエータ１９とを設けている。循環ポンプ１８により送給される冷却水は、循環流路１７を循環する間に、発電反応によって発生した熱を受熱し、ラジエータ１９において放熱することで、水冷式燃料電池５を冷却する。
前記２次電池３は、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５に接続されている。２次電池３には、移動体の動力装置２０、補機装置２１が接続されている。２次電池３は、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５の発電した電力を貯め、動力源として電力を動力装置２０、補機装置２１に供給し、動力装置２０、補機装置２１を作動する。また、動力装置２０、補機装置２１には、図２に示すように、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５が接続されている。空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５は、発電した電力を動力源として動力装置２０、補機装置２１に供給し、動力装置２０、補機装置２１を作動する。

前記燃料電池システム１は、水冷式燃料電池４に排気分岐機構２２を設けている。排気分岐機構２２は、第１排風供給機構２３と第２排風供給機構２４とを備えている。第１排風供給機構２３は、空冷式燃料電池４の排気流路１１に排出された空気を送風流路２５によりラジエータ１９に送風する。ラジエータ１９は、空冷式燃料電池４からの空気の排気熱を吹き付けられ、冷却水を温める。第２排風供給機構２４は、空冷式燃料電池４の排気流路１１に排出された空気を吸気流路１４によりカソード極１２に供給する。カソード極１２は、空冷式燃料電池４からの空気に含まれる生成水を供給され、加湿される。なお、排気分岐機構２２は、空冷式燃料電池４から排出された空気をラジエータ１９とカソード極１２とに供給するように分岐するだけてなく、余剰分を排気流路２６で排気する。
前記燃料電池システム１は、水冷式燃料電池４から排出される空気に含まれる生成水を霧化し、空冷式燃料電池４の吸気流路９に供給する散水機構２７を備えている。散水機構２７は、散水流路２８を備えている。散水流路２８は、水冷式燃料電池４の排気流路１５に設けた気水分離機１６で分離された生成水を、空冷式燃料電池４の吸気流路９に供給する。散水流路２８には、生成水の流量を調整して余剰分を排水する調整機構２９と、調整機構２９により流量を調整された生成水を霧化する霧化機構３０とを設けている。散水機構２７は、水冷式燃料電池５から排出された生成水を霧化し、空冷式燃料電池４のカソード極６の吸気流路９に散布する。

この燃料電池システム１は、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５の発電、２次電池３の充電・放電、動力装置２０および補機装置２１の駆動を制御する制御装置３１を備えている。制御装置３１には、２次電池３の電池容量を検出する電池容量検出手段３２が接続され、動力装置２０および補機装置２１が接続されている。
燃料電池システム１は、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５の起動を制御する起動制御手段３３を備え、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５の周囲の環境温度を検出する環境温度検出手段３４を備え、水冷式燃料電池５の冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段３５を備えている。起動制御手段３３、環境温度検出手段３４、冷却水温度検出手段３５は、制御装置３１に接続されている。
制御装置３１および起動制御装置３３は、２次電池３に接続されている。２次電池３は、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５の発電した電力を貯め、動力源として電力を制御装置３１および起動制御手段３３に供給し、制御装置３１および起動制御手段３３を作動する。
前記起動制御手段３３には、空冷式燃料電池４、水冷式燃料電池５、空気ファン８、水素供給装置１０、循環ポンプ１８、排気分岐機構２２の第１排風供給機構２３および第２排風供給機構２４、散水機構２７の調整機構２９および霧化機構３０を接続している。前記制御装置３１は、電池容量検出手段３２が検出する２次電池３の容量に応じて空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５の起動を判断し、起動制御手段３３に起動の指令を出力する。
起動制御手段３３は、制御装置３１からの指令に基づいて、水冷式燃料電池４より先に空冷式燃料電池４の起動を開始させる。
また、起動制御手段３３は、環境温度検出手段３４の検出温度が第１の所定値未満である場合には、水冷式燃料電池５より先に空冷式燃料電池４を起動させ、環境温度検出手段３４の検出温度が第１の所定値以上である場合には、水冷式燃料電池５と空冷式燃料電池４とを同時に起動させる。
さらに、起動制御手段３３は、冷却水温度検出手段３５の検出温度が第２の所定値未満である場合には、空冷式燃料電池４から排出された空気をラジエータ１９に送風するように第１の排風供給機構２３を作動させる。また、起動制御手段３３は、空冷式燃料電池４から排出された空気を水冷式燃料電池４のカソード極１２に供給するように第２の排風供給機構２４を作動させる。

次に作用を説明する。
燃料電池システム１は、図２に示すように、空気、水（冷却水および生成水）、電気が流れる。
空気は、空気ファン８によって吸引されて空冷式燃料電池４のカソード極６に供給され、発電、冷却に使用される。空冷式燃料電池４から排出された生成水を含む空気は、排気分岐機構２２の第２排風供給機構２４により水冷式燃料電池５のカソード極１２に供給され、発電に使用される。水冷式燃料電池５から排出された空気は、気水分離機１６で生成水を分離され、外気に排気される。また、空冷式燃料電池４から排出された空気は、排気分岐機構２２の第１排風供給機構２３によりラジエータ１９に送風される。
水冷式燃料電池５において、冷却水は、循環ポンプ１８により循環流路１７を循環する間に、水冷式燃料電池５の発電反応によって発生した熱を受熱し、ラジエータ１９において放熱することで、水冷式燃料電池５を冷却する。
水冷式燃料電池５において、生成水は、排出された空気から気水分離機１６により分離される。分離された生成水は、散水機構２７の散水流路２８に流入し、調整機構２９により流量を調整され、霧化機構３０により霧化され、空冷式燃料電池４のカソード極６の吸気流路９に散布される。
空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５が発電した電気は、２次電池３に流れて貯められ、動力源として動力装置２０、補機装置２１に供給され、動力装置２０、補機装置２１を作動する。また、空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５が発電した電気は、動力源として動力装置２０、補機装置２１に供給され、動力装置２０、補機装置２１を作動する。

燃料電池システム１は、図３に示すように、起動制御手段３３によって制御のプログラムがスタートすると（１００）、制御装置３１が空冷式燃料電池４および水冷式燃料電池５を起動すると判定しているかを判断する（１０１）する。
この判断（１０１）がＮＯの場合は、プログラムをエンドにする（１０４）。この判断（１０１）がＹＥＳの場合は、環境温度検出手段３４の検出する環境温度が第１の所定値未満であるかを判断する（１０２）。
環境温度が第１の所定値未満で、判断（１０２）がＹＥＳの場合は、水冷式燃料電池５より先に空次式燃料電池４の起動を開始させ（１０３）、プログラムをエンドにする（１０４）。環境温度が第１の所定値以上で、判断（１０２）がＮＯの場合は、水冷式燃料電池５と空冷式燃料電池４とを同時に起動させ（１０５）、プログラムをエンドにする（１０４）。
このように、燃料電池システム１は、起動時間の短い空冷式燃料電池４を先行して起動させることにより、起動してから通常発電が開始されるまでの時間を短縮できる。このため、燃料電池システム１は、システムの起動性を向上させることができ、また、起動してから通常発電が開始されるまでの時間の短縮で、この時間に使用される電力を蓄える２次電池を小容量化でき、２次電池の搭載量を削減することができる。
また、燃料電池システム１は、環境温度が第１の所定値未満の冷間時には空冷式燃料電池４を先行して起動させることにより、起動してから通常発電が開始されるまでの時間を短縮でき、時間の短縮により２次電池の搭載量を削減することができる。

燃料電池システム１は、図４に示すように、起動制御手段３３によって制御のプログラムがスタートすると（２００）、空冷式燃料電池４の起動が完了しているかを判断する（２０１）する。
この判断（２０１）がＮＯの場合は、プログラムをエンドにする（２０４）。この判断（２０１）がＹＥＳの場合は、冷却水温度検出手段３５の検出する冷却水温度が第２の所定値未満であるかを判断する（２０２）。
冷却水温度が第２の所定値未満で、判断（２０２）がＹＥＳの場合は、空冷式燃料電池４から排出された空気を第１排風供給機構２３により水冷式燃料電池５のラジエータ１９に送風し（２０３）、プログラムをエンドにする（２０４）。冷却水温度が第２の所定値以上で、判断（２０２）がＮＯの場合は、水冷式燃料電池５から排出された空気を水冷式燃料電池５のラジエータ１９に送風せず（２０５）、プログラムをエンドにする（１０５）。
このように、燃料電池システム１は、冷却水温度検出手段３５の検出温度が第２の所定値未満である場合には、空冷式燃料電池４から排出された空気をラジエータ１９に送風するための第１の排風供給機構２３を備えてる。
これにより、燃料電池システム１は、空冷式燃料電池４から排出された空気の排気熱を利用して冷却水を暖め、水冷式燃料電池５の暖機を行うことにより、水冷式燃料電池５の起動時間を短縮することができる。

また、燃料電池システム１は、空冷式燃料電池４から排出された空気を、水冷式燃料電池５のカソード極１２に供給する第２の排風供給機構２４を備えている。
これにより、この燃料電池システム１は、空冷式燃料電池４から排出された生成水を含む空気を水冷式燃料電池５のカソード極１２に供給するため、空冷式燃料電池４の空気に含まれる生成水によって水冷式燃料電池４の加湿を可能とし、水冷式燃料電池４の加湿器を廃止することができる。
さらに、燃料電池システム１は、水冷式燃料電池５から排出された生成水を、空冷式燃料電池４のカソード極６の吸気流路９に散布する散水機構２７を備えている。
これにより、この燃料電池システム１は、水冷式燃料電池５から排出された生成水を用いて空冷式燃料電池４の加湿を行うことによって、空冷式燃料電池４の乾燥を防止するとともに空冷式燃料電池４の出力低下を抑制することができる。

この発明は、燃料電池システムの起動性を向上させるとともに、２次電池の搭載量を削減することができるものであり、移動体にかぎらず、住宅用などの燃料電池システムにも適用が可能である。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池ユニット
３ ２次電池
４ 空冷式燃料電池
５ 水冷式燃料電池
６ カソード極
７ アノード極
８ 空気ファン
１０ 水素供給装置
１２ カソード極
１３ アノード極
１６ 気水分離機
１７ 循環流路
１８ 循環ポンプ
１９ ラジエータ
２０ 動力装置
２１ 補機装置
２２ 排気分岐機構
２３ 第１排風供給機構
２４ 第２排風供給機構
２７ 散水機構
２９ 調整機構
３０ 霧化機構
３１ 制御装置
３２ 電池容量検出手段
３３ 起動制御手段
３４ 環境温度検出手段
３５ 冷却水温度検出手段

Claims (5)

1. 移動体の動力源として燃料電池ユニットと２次電池とを有するハイブリッド型の燃料電池システムであって、前記燃料電池ユニットは、冷却ファンを用いて空気を送風することによって冷却される空冷式燃料電池と、電池内部に冷却水を循環することによって冷却される水冷式燃料電池とを一体的に設け、前記空冷式燃料電池および水冷式燃料電池の起動を制御する起動制御手段を備え、前記起動制御手段は前記水冷式燃料電池より先に前記空冷式燃料電池の起動を開始させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 環境温度を検出する環境温度検出手段を備え、前記起動制御手段は、前記環境温度検出手段の検出温度が第１の所定値未満である場合には、前記水冷式燃料電池より先に前記空冷燃料電池を起動させ、前記環境温度検出手段の検出温度が第１の所定値以上である場合には、前記水冷式燃料電池と前記空冷式燃料電池とを同時に起動させ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. 前記冷却水の循環流路に設けられ、冷却水の放熱を行うラジエータと、前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段とを備え、前記冷却水温度検出手段の検出温度が第２の所定値未満である場合には、前記空冷式燃料電池から排出された空気を前記ラジエータに送風するための第１の排風供給機構を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記空冷式燃料電池および水冷式燃料電池の電極には、それぞれ酸素を供給するカソード極と水素を供給するアノード極とを有し、前記空冷式燃料電池から排出された空気を前記水冷式燃料電池のカソード極に供給する第２の排風供給機構を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記水冷式燃料電池から排出された生成水を、前記空冷式燃料電池のカソード極の吸気流路に散布する散水機構を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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