JP2018060660A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池が設置される周囲環境が低温または高温状態においても、スタックの発電性能と水素放出性能を維持する技術を実現する。【解決手段】燃料電池システム１０は、セルが積層されたスタック２０と、スタック２０の上部の正逆方向ファン３０と、第１及び第２の燃料ユニット５０、６０と、制御部１２とを備える。正逆方向ファン３０の送風方向を制御し、スタック２０の負荷電力供給時の発熱エネルギーと上部水素吸蔵合金ボトル５１、下部水素吸蔵合金ボトル６１が水素を放出する際に生じる吸熱エネルギーを利用して熱交換を行う。それによって、スタック２０が設置される周囲環境が低温または高温状態においても、スタック２０の発電性能と第１の燃料ユニット５０及び第２の燃料ユニット６０の水素放出性能を適切に維持する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、例えば、積層されたセルを有するスタックと前記スタックに燃料を供給する水素吸蔵合金を備えた燃料供給装置とを用いた燃料電池システムに関する。

固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のスタックは、複数のセルを積層することで所望の電圧を出力可能としている。また、各セルは、ＭＥＡ（膜電極接合体）をアノードセパレータとカソードセパレータとで挟んだ構成となっている。アノードセパレータとカソードセパレータの各背面、すなわちＭＥＡを挟み込んだ側と反対の各面には、空気流路が形成されている。セルには燃料として、水素吸蔵合金から水素が供給される。

一般的に、燃料電池において発電時のＭＥＡ温度（またはスタック温度）が所定の動作温度（一般には、８０〜１００℃）以下で運転する必要がある。所定以上の高温状態となった場合、発電が低下し、さらなる運転を続けた場合には、ＭＥＡが乾燥状態（ドライ状態）となり、再起不能状態となる。

また、水素を供給する水素吸蔵合金では、水素放出時に吸熱作用が生じて、圧力が徐々に低下し、水素放出能力が低下する。水素吸蔵合金は所定の水素放出を得るためには、適度に保温して、圧力を一定以上確保して運転する必要がある。

低温から高温の環境用途において、水素吸蔵合金を利用した燃料電池システムは、スタックの温度範囲管理と水素吸蔵合金が所定圧力を得るための保温制御を行い、スタックの発電性能と一定の水素供給能力を得る必要がある。スタックの発熱は、負荷へ供給する電力が大きいほど大きくなり、水素吸蔵合金の吸熱は水素放出量が増えるほど大きくなる。

このようなことから、温度管理に関して各種の技術が提案されている。例えば、水素吸蔵合金の放出性能を得るために、ファン風量を制御する技術がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示の技術では、４０℃以上となった場合に、ファン最大風量として、スタックの発熱を抑える方法となっている。

また、風路を確保して水素吸蔵合金の冷却ガスをスタックへ供給し、スタックの発熱を再度水素吸蔵合金の保温に利用する循環系を提案する技術もある（例えば、特許文献２参照。）。また、リチウムイオン電池等を用いた電源に関して、空冷方向を双方向可変とすることで、筐体内の温度を制御する技術も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１０−２４４９６号公報 特開２００７−３２８９７１号公報 特許第５１６８８５３号

ところで、特許文献１に開示の技術は、同一方向に空気を供給しているため、ファン風量増大による電力消費と周囲温度が上がった場合に、スタックの発熱を抑えられるか不明であり、別の技術が求められていた。特許文献２に開示の技術は、環境温度が高温で、空冷の空気媒体が高温になった場合に、入口側の水素吸蔵合金の吸熱によって、スタックの発電に合わせた冷却能力が得られるかが不明であり、また、構造上、風路を形成し、熱伝導性を考慮した設計をすることは容易ではなく、別の技術が求められていた。特許文献３に開示の技術は、主にリチウムイオン電池を想定したもので、燃料電池へ適応した場合に、燃料電池特有の特性に十分に対応できるかが不明であり、別の技術が求められていた。

さらに、上記特許文献１〜３では、燃料電池スタックが設置される周囲環境が低温または高温状態においても、スタックの発電性能と水素放出性能を維持することができるか否かが不明であり、新たな技術が求められていた。

本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、上記課題を解決する技術を提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、複数のセルが積層されている燃料電池スタックと、水素吸蔵合金を搭載し前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料ユニットと、前記燃料電池スタック及び前記燃料ユニットへ送風を行うファンと、前記ファンの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ファンの送風方向を、前記燃料ユニットから前記燃料電池スタックへ、または前記燃料電池スタックから前記燃料ユニットへ切り替えて、前記燃料電池スタックを所定の温度範囲に制御する。
また、前記燃料ユニットは、主燃料供給ユニットの第１の燃料ユニットと補助燃料供給ユニットの第２の燃料ユニットとを備え、前記第１の燃料ユニットと前記第２の燃料ユニットとは、配管で相互に燃料の授受が可能に接続されており、かつ、前記燃料電池スタックの空気流路が形成されている対極に設置されてもよい。
また、前記第１の燃料ユニットの圧力を検知する第１の圧力センサと、前記第２の燃料ユニットの圧力を検知する第２の圧力センサと、を備え、前記第１の燃料ユニットの圧力が、所定値以下となった場合に、前記制御部は、前記第２の燃料ユニットから前記第１の燃料ユニットへ燃料を供給してもよい。
また、前記燃料電池スタックは、水平方向に前記セルを積層しており、前記第１の燃料ユニットは、前記燃料電池スタックの上側に配置され、前記第２の燃料ユニットは、前記燃料電池スタックの下側に配置され、前記ファンは、前記第１の燃料ユニットと前記燃料電池スタックとの間に配置されてもよい。

本発明によると、燃料電池スタックの負荷電力供給時の発熱エネルギーと水素吸蔵合金が水素を放出する際に生じる吸熱エネルギーを利用して熱交換を行い、燃料電池スタックが設置される周囲環境が低温または高温状態においても、スタックの発電性能と水素放出性能を維持する技術を実現できる。

本実施形態に係る、燃料電池システムの概略構成を示した図である。 本実施形態に係る、燃料電池システムの機能ブロック図である。 本実施形態に係る、低温時の燃料電池システムにおいて、正逆方向ファンが正方向に回転している状態を示した図である。 本実施形態に係る、低温時の燃料電池システムにおいて、正逆方向ファンが逆方向に回転している状態を示した図である。 本実施形態に係る、高温時の燃料電池システムの状態を示した図である。 本実施形態に係る、温度センサの値の設定範囲とＭＥＡ運転温度範囲の関係を示した図である。 本実施形態に係る、制御フローを示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

本実施形態の概要は、次の通りである。燃料電池スタックと水素吸蔵合金を搭載した二つの燃料ユニットをスタック（燃料電池スタック）の空気流路が形成されている対極に設置する。スタックの温度上昇に追従させて、正方向及び逆方向へ風量方向を変更するファンを設置し、ファンの風量方向を正・逆に変更することにより、周囲環境が低温時には、スタックの廃熱を水素吸蔵合金へ放出して水素吸蔵合金の水素放出性能を維持する。高温時には、水素吸蔵合金の吸熱によって冷却された空気をスタックへ供給し、スタックの高温化を防止する。

図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成を示す図であり、特に、温度制御に着目して示している。また、図２は燃料電池システム１０の機能ブロック図であり、特に温度制御を行う制御部１２（図２にのみ図示している。）に着目して示している。

燃料電池システム１０は、スタック２０と、スタック２０の上部に配置された正逆方向ファン３０と、第１及び第２の燃料ユニット５０、６０と、制御部１２とを備える。第１の燃料ユニット５０は、スタック２０の上部に設置されている。第２の燃料ユニット６０は、スタック２０の下部に、すなわちスタック２０を挟んで第１の燃料ユニット５０の対極に設置されている。

第１の燃料ユニット５０は、複数（ここでは３つ）の円柱形状を呈する上部水素吸蔵合金ボトル５１を備える。同様に、第２の燃料ユニット６０は、複数（ここでは２つ）の円柱形状を呈する下部水素吸蔵合金ボトル６１を備える。上部水素吸蔵合金ボトル５１と下部水素吸蔵合金ボトル６１については、数や形状等は、特に限定しないが、アルミ合金等の熱伝導性に優れたケース（筐体）によって覆われている。

第１の燃料ユニット５０と第２の燃料ユニット６０とは、配管１１により環状に連結されている。配管１１の図示右側の略中間位置に方向切替弁１５が、図示左側の略中間位置に電磁弁１６が設けられている。

方向切替弁１５及び電磁弁１６は、制御部１２により制御される。制御部１２は、方向切替弁１５を切り替えて、第１の燃料ユニット５０または第２の燃料ユニット６０から水素を放出しスタック２０に供給する。また、電磁弁１６を解放することで、第１の燃料ユニット５０と第２の燃料ユニット６０とは、燃料ガスを相互に授受が可能となっている。通常は、電磁弁１６がクローズ状態で運用される。

上部配管１１ａには上部圧力計４１が取り付けられており、制御部１２が第１の燃料ユニット５０（上部水素吸蔵合金ボトル５１）の水素吸蔵合金吸着圧力を監視する。同様に、下部配管１１ｂには下部圧力計４２が取り付けられており、制御部１２が第２の燃料ユニット６０（下部水素吸蔵合金ボトル６１）の水素吸蔵合金吸着圧力を監視する。

スタック２０は、複数のセルを図示横方向に積層した状態で縦に配置されている（図中、Ｃｅｌｌ１、Ｃｅｌｌ２、・・・と表記する。）。積層中央位置には、温度センサ２５が配置され、スタック２０の温度が制御部１２により管理される。

各セルにおいて、ＭＥＡを挟み込むアノードセパレータとカソードセパレータの背面に形成された空気流路に、制御部１２によって動作制御される正逆方向ファン３０による空気が送り込まれ、スタック２０が冷却される。以下では、便宜的に、下から上方向に空気が流れる向きを正方向、上から下に空気が流れる向きを逆方向として説明する。

第１の燃料ユニット５０及び第２の燃料ユニット６０は、アルミ等の熱伝導性の優れた材料で形成され、内部の空気流路は、ハニカム形状で圧力損失がなく熱交換性能が得られる形状であることが望ましい。

以上の構成の燃料電池システム１０に関して、温度条件に応じた具体的な燃料供給動作例を図３〜５を参照して説明する。図３及び図４は、低温時の燃料電池システム１０の系統を示す図である。図３は正逆方向ファン３０が正方向に回転している状態、図４は正逆方向ファン３０が逆方向に回転している状態を示している。

図３では、第１の燃料ユニット５０から水素（燃料）が放出され、上部配管１１ａ、方向切替弁１５を通って、スタック２０に供給されている。正逆方向ファン３０は正方向に回転しており、その結果、スタック２０の下側から取り込まれた空気は、スタック２０が発生する熱を吸収し、暖気として第１の燃料ユニット５０に送り込まれ、上部水素吸蔵合金ボトル５１を保温する。

図４では、第２の燃料ユニット６０から水素（燃料）が放出され、下部配管１１ｂ、方向切替弁１５を通って、スタック２０に供給されている。正逆方向ファン３０は逆方向に回転しており、その結果、スタック２０の上側から取り込まれた空気は、スタック２０が発生する熱を吸収し、暖気として第２の燃料ユニット６０に送り込まれ、下部水素吸蔵合金ボトル６１を保温する。

低温時からの燃料電池システム１０（燃料電池）の起動に際しては、上部水素吸蔵合金ボトル５１、下部水素吸蔵合金ボトル６１は冷えた状態になっている。よって、スタック２０の排熱を効率良く利用するにあたっては、図３の状態から立ち上げ、第１の燃料ユニット５０の燃料が無くなった後に、図４の状態、すなわち第２の燃料ユニット６０からの燃料供給に切り替えることが好ましい。

なお、図３の状態から図４の状態へ切り替える時に、第２の燃料ユニット６０の下部水素吸蔵合金ボトル６１の低温化が懸念されるが、スタック２０を一定時間運転することによって、燃料電池システム１０の筐体内部に配置されているスタック２０の熱量により、筐体内全体が保温されるため、燃料電池システム１０は適切に運転できる。

図５は、高温時の燃料電池システム１０の系統を示す図である。正逆方向ファン３０の動作が、風量を逆方向とするもので、図３に示したものとは逆になっている。すなわち、第１の燃料ユニット５０の上部水素吸蔵合金ボトル５１からスタック２０へ水素が供給されている。第１の燃料ユニット５０を経由し空気が水素放出時の冷却作用により冷気となり、スタック２０の上部から取り込まれる。取り込まれた冷気は、スタック２０の空気流路を通過し、スタック２０の下部から放出され、さらに第２の燃料ユニット６０を通過し外部に放出される。スタック２０を通過する際に、暖気となるため、第２の燃料ユニット６０へ暖気が供給される。

本動作において、水素放出の時間経過とともに、第１の燃料ユニット５０の上部水素吸蔵合金ボトル５１が冷やされる。このため、水素残量があるのにもかかわらず、上部水素吸蔵合金ボトル５１の低温化によって所定の圧力が得られない場合が想定される。

そこで、上部圧力計４１の圧力Ｐ１が所定値以下となった場合、電磁弁１６が開放される。これによって、暖気によって暖められている第２の燃料ユニット６０（下部水素吸蔵合金ボトル６１）から水素を放出し、スタック２０へ水素を放出している第１の燃料ユニット５０の上部水素吸蔵合金ボトル５１へ水素を吸着させ、一時的に上部水素吸蔵合金ボトル５１を暖めて圧力を高める。このように、一時的に圧力を高めることで、上部水素吸蔵合金ボトル５１の圧力低下を防止し、所定の放出性能を維持する。

なお、一時的な圧力確保の手段として電磁弁１６（のライン）が設置されているが、上部水素吸蔵合金ボトル５１の表面温度を計測し、スタック２０の冷却作用を損なわない範囲で、マスフローメータ等を用いて定量的に水素を供給してもよい。水素放出中の上部水素吸蔵合金ボトル５１（水素吸蔵合金）に水素を吸着させるフローでは、電磁弁１６を一時的に開放するか、またはマスフローメータ等で流量コントロールして、水素放出している上部水素吸蔵合金ボトル５１（水素吸蔵合金）の昇温を防止する必要がある。

なお、図示の構成では、第１の燃料ユニット５０の上部水素吸蔵合金ボトル５１を３本、第２の燃料ユニット６０の下部水素吸蔵合金ボトル６１を２本としている。しかし、暖気が当たる下部水素吸蔵合金ボトル６１は、上部水素吸蔵合金ボトル５１の圧力補償用に水素を供給する量と運転中の燃料電池の水素ガスパージ量の水素量に合致させるのが最適であり、燃料電池システム１０の運転時間に合わせて最適本数とすることができる。

図３及び図５の制御フローについて、図６及び図７を参照して説明する。図６は、温度センサ２５の値の設定範囲とＭＥＡ運転温度範囲の関係を示している。図７は、制御フローを示すフローチャートである。

図６において、第１設定温度ｔ１は、スタック廃熱利用温度であり、正逆方向ファン３０が正方向に送風を供給開始する温度である。第２設定温度ｔ２は、正逆方向ファン３０を停止し風量供給を停止する温度であり、第１設定温度ｔ１より低い値である。第３設定温度ｔ３は、水素吸蔵合金冷気利用温度であり、第１設定温度ｔ１より高い値である。ＭＥＡ推奨最低温度ｔ４は、第２設定温度ｔ２より低い値である。ＭＥＡ推奨最高温度ｔ５は、第３設定温度ｔ３より高い値である。すなわち、ＭＥＡ温度範囲（ｔ４〜ｔ５）で燃料電池システム１０の動作制御が行われる。

以下の処理では、温度センサ２５によりスタック２０の温度を感知し、低温時処理ＳＡ（Ｓ１４〜Ｓ２２）及び高温時処理ＳＢ（Ｓ２６〜Ｓ３６）を切り替える。

第１の燃料ユニット５０からの燃料供給指令がオン（Ｐ１開指令）となり、方向切替弁１５を第１の燃料ユニット５０からの燃料供給経路に切り替わることで（Ｓ１０）、第１の燃料ユニット５０からスタック２０への水素注入処理が開始する（Ｓ１２）。水素注入処理開始により、スタック２０の温度は上昇を開始する。低温時処理ＳＡが開始する。

温度センサ２５によりスタック２０の温度（スタック温度Ｔｓ）が監視されており、スタック温度Ｔｓが第１設定温度ｔ１以上になったか否かが監視される（Ｓ１４）。第１設定温度ｔ１未満の場合（Ｓ１４のＮ）、上記監視が継続される。スタック温度Ｔｓが第１設定温度ｔ１以上になると（Ｓ１４のＹ）、正逆方向ファン３０が正方向に動作し、空気がスタック２０の下から上に向かって流れる（Ｓ１６）。すなわち、図３に示した状態になる。

つづいて、スタック温度Ｔｓが第２設定温度ｔ２〜第３設定温度ｔ３（以下、「ファン動作温度範囲」という。）の間にあることが監視される（Ｓ１８）。ファン動作温度範囲にある間は（Ｓ１８のＮ）、正逆方向ファン３０の正方向の動作は継続する（Ｓ１６）。

スタック温度Ｔｓがファン動作温度範囲を外れ第２設定温度ｔ２以下となると（Ｓ１８のａ）、正逆方向ファン３０の送風正方向の動作が停止する（Ｓ２０）。上部圧力計４１の圧力Ｐ１が最低圧力値Ｐｍｉｎ以上の場合（Ｓ２２のＹ）、Ｓ１４の処理に戻り、低温時処理ＳＡが継続する。

上部圧力計４１の圧力Ｐ１が最低圧力値Ｐｍｉｎより低い場合（Ｓ２２のＮ）、スタック２０の出力として所定性能が得られる限界値であること、すなわち燃料停止レベル（水素供給停止レベル）であることから、方向切替弁１５を閉じる指令（Ｐ１閉指令）によって、スタック２０への燃料供給が停止する（Ｓ２４）。

スタック温度Ｔｓがファン動作温度範囲を外れ第３設定温度ｔ３以上になると（Ｙ１８のｂ）、高温時処理ＳＢに切り替わり、正逆方向ファン３０が逆方向に動作する（Ｓ２６）。上部圧力計４１の圧力Ｐ１が監視され、所定値Ｐｔｈ以上であるか否かがチェックされる（Ｓ２８）。

所定値Ｐｔｈ以上の場合（Ｓ２８のＹ）、スタック温度Ｔｓが第２設定温度ｔ２以下になったか否かを監視する（Ｓ３０）。第２設定温度ｔ２を上回っていれば（Ｓ３０のＮ）、正逆方向ファン３０の逆方向動作を継続する（Ｓ２６）。第２設定温度ｔ２以下になれば（Ｓ３０のＹ）、低温時動作に切り替わり（ＳＡ）、スタック温度Ｔｓが第１設定温度ｔ１以上になったか否かの監視に戻る（Ｓ１４）。

Ｓ２８の処理で、所定値Ｐｔｈ未満である場合（Ｓ２８のＮ）、すなわち水素吸蔵合金圧力が所定性能を発揮できない状態に近づいた場合、電磁弁１６が解放され、第２の燃料ユニット６０から電磁弁１６を介した、すなわち上部配管１１ａを経由した水素燃料の供給が行われる（Ｓ３２）。

つづいて、上部圧力計４１の圧力Ｐ１が所定値Ｐｔｈ以上となったか否かがチェックされる（Ｓ３４）。所定値Ｐｔｈ以上となれば（Ｓ３４のＹ）、正逆方向ファン３０の逆方向動作を継続する（Ｓ２６）。所定値Ｐｔｈ未満であれば（Ｓ３４のＮ）、さらに上部圧力計４１の圧力Ｐ１が最低圧力値Ｐｍｉｎ以上であるか否かを監視する（Ｓ３６）。

最低圧力値Ｐｍｉｎ以上であれば（Ｓ３６のＹ）、正逆方向ファン３０の逆方向動作は継続する（Ｓ２６）。最低圧力値Ｐｍｉｎ未満であれば（Ｓ３６のＮ）、燃料停止レベル（水素供給停止レベル）であることから、方向切替弁１５が閉じられ、スタック２０への燃料供給が停止する（Ｓ２４）。

以上、本実施形態の燃料電池システム１０は、スタック２０の負荷電力供給時の発熱エネルギーと上部水素吸蔵合金ボトル５１、下部水素吸蔵合金ボトル６１が水素を放出する際に生じる吸熱エネルギーを利用して熱交換を行う。それによって、スタック２０が設置される周囲環境が低温または高温状態においても、スタック２０の発電性能と第１の燃料ユニット５０及び第２の燃料ユニット６０の水素放出性能を適切に維持することができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。例えば、正逆方向ファン３０は、スタック２０と第１の燃料ユニット５０の間に設けているが、さらに、スタック２０と第２の燃料ユニット６０の間に設けてもよい。その場合、送風方向をそれぞれの方向で固定とし、必要とされる送風方向に対応したファンを稼動させてもよい。また、第１の燃料ユニット５０と第２の燃料ユニット６０とを、上下に配置するのではなく、スタック２０を挟んで左右に配置してもよい。

１０ 燃料電池システム
１１ 配管
１２ 制御部
１１ａ 上部配管
１１ｂ 下部配管
２０ スタック
２５ 温度センサ
３０ 正逆方向ファン
４１ 上部圧力計
５０ 第１の燃料ユニット
５１ 上部水素吸蔵合金ボトル
６０ 第２の燃料ユニット
６１ 下部水素吸蔵合金ボトル

Claims (4)

1. 複数のセルが積層されている燃料電池スタックと、
   水素吸蔵合金を搭載し前記燃料電池スタックに燃料を供給する燃料ユニットと、
   前記燃料電池スタック及び前記燃料ユニットへ送風を行うファンと、
   前記ファンの動作を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記ファンの送風方向を、前記燃料ユニットから前記燃料電池スタックへ、または前記燃料電池スタックから前記燃料ユニットへ切り替えて、前記燃料電池スタックを所定の温度範囲に制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ユニットは、主燃料供給ユニットの第１の燃料ユニットと補助燃料供給ユニットの第２の燃料ユニットとを備え、
   前記第１の燃料ユニットと前記第２の燃料ユニットとは、配管で相互に燃料の授受が可能に接続されており、かつ、前記燃料電池スタックの空気流路が形成されている対極に設置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。
3. 前記第１の燃料ユニットの圧力を検知する第１の圧力センサと、
   前記第２の燃料ユニットの圧力を検知する第２の圧力センサと、
   を備え、
   前記第１の燃料ユニットの圧力が、所定値以下となった場合に、前記制御部は、前記第２の燃料ユニットから前記第１の燃料ユニットへ燃料を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックは、水平方向にセルを積層しており、
   前記第１の燃料ユニットは、前記燃料電池スタックの上側に配置され、
   前記第２の燃料ユニットは、前記燃料電池スタックの下側に配置され、
   前記ファンは、前記第１の燃料ユニットと前記燃料電池スタックとの間に配置されている
   ていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。

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