JP2609952B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、燃料電池発電システムに関し、詳しくは燃
料電池発電システムの起動に関する。

従来の技術 従来、上記燃料電池発電システムは、外部から供給さ
れた電力、或いはシステムに内蔵された蓄電池の電力に
より制御装置を駆動し、システム起動を開始させるとい
う方法がとられている。

しかしながら、小型の燃料電池発電システム、特に可
搬型のシステムの場合には、外部からの電力供給は望め
ない。したがって、このような場合には、蓄電池を内蔵
せざるをえないが、これではシステムの重量が増加する
と共に、繰り返し使用する場合に蓄電池の充電が不十分
となってシステムを起動できなくなるという課題を有し
ていた。

そこで、特公昭62−49703号公報に示されるように、
水素吸蔵合金又は金属水酸化物を各々有し、且つ二重管
構造とした第1,第２の容器を有し、一方の容器に水素を
供給して水素を吸蔵させ、この吸蔵反応により発熱する
熱で他方の容器内で水素乖離反応を生じさせ、この水素
を燃料電池に供給するようなものが開示されている。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記従来のものでは、初期段階におい
て一方の容器に水素を供給する必要があるため、外部に
水素供給源が必要となる。したがって、可搬式電源とし
ては好ましくない。

本発明はかかる現状に鑑みてなされたものであり、シ
ステム重量を増加させたり、外部に水素供給源を設ける
ことなくシステムを確実に起動させることができる燃料
電池発電システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、水素極、及び少
なくともシステム起動時には大気に対して開放状態の酸
化剤極を有する燃料電池と、システム本作動時に、酸化
剤極に酸化剤ガスを強制的に供給する酸化剤ガス供給手
段と、酸化剤ガス供給手段の駆動を制御する駆動制御手
段と、約−20℃から常温程度の温度で水素を乖離しうる
水素吸蔵合金を有する水素貯蔵手段と、水素貯蔵手段内
の水素ガスを、燃料電池の水素極に供給する水素供給通
路と、水素供給通路に設けられ、水素供給量を制御する
ものであって操作者によって開成が可能な流量制御手段
と、水素貯蔵手段を昇温するための昇温手段と、を有
し、且つシステム起動時には、操作者が流量制御手段を
開成することにより水素極に導入される水素と、酸化剤
極の近傍に残存する空気とにより発生する燃料電池の出
力で、酸化剤ガス供給手段及び駆動制御手段に電力を供
給し、これによってシステムを本作動させることを特徴
とする。

作用 上記構成であれば、システム起動時には、水素供給量
を制御する流量制御手段が操作者によって開成状態とな
って、水素貯蔵手段から燃料極に水素が供給される一
方、大気に対して開放状態の酸化剤極には空気が供給さ
れることになる。したがって、燃料電池において発電が
開始され、開回路電圧が発生することになる。これによ
り、酸化剤ガス供給手段及び制御手段に電力が供給され
て酸化剤ガス供給手段が起動するので、酸化剤ガスが燃
料電池へ円滑に供給される。この結果、燃料電池から連
続的に電力が供給されることになる。このように本発明
の燃料電池システムではシステムを起動するための電源
や水素供給源を用いることなく、システムを起動させる
ことが可能である。

第１実施例 本発明の第１実施例を、第１図及び第２図に基づい
て、以下に説明する。第１図は燃料として水素を用いた
本発明の第１実施例に係る燃料電池発電システムのシス
テムフロー図、第２図はシステム制御装置を起動するた
めの回路図である。

第１図に示すように、本システムは、燃料電池１、水
素貯蔵装置４、空気供給装置５、未反応燃料ガス処理装
置６、燃料ガス供給弁７、減圧弁８、第１燃料ガス排出
弁９、第２燃料がス排出弁10、システム制御装置12、燃
料ガス供給通路15、燃料排ガス排出通路16、空気供給通
路17、空気排出通路18、及び燃焼ガス排出通路19を有し
ている。

上記燃料電池１は、単セルを多数個積層すると共に、
数セル毎に冷却板を介在させ、且つこの積重体を上下端
板により締め付けるような構造であり、その冷却は過剰
の反応空気により行われる。尚、第１図においては、簡
略化してアノード２とカソード３とから成る単セルのみ
を示している。

上記水素貯蔵装置４は、約−20℃から常温程度の温度
で水素を乖離しうる水素吸蔵合金を有しており、上記燃
料電池１に水素を供給する。尚、上記水素吸蔵合金とし
ては、例えば希土類−Ni系、チタン−鉄系、或いはチタ
ン−クロム系のものが用いられる。希土類−Ni系の水素
吸蔵合金の具体例としては、Mm−Ｙ−Ni−Mnを組成とす
る合金を挙げることができる。ここで、Mmはミッシュメ
タル（希土類元素の混合物）を示す。第８図は、この水
素吸蔵合金のPCT特性図であって、−20℃,0℃,25℃,40
℃,60℃,80℃の各温度における水素吸蔵量Ｘ（満充填量
に対する比率:H/M）と水素圧力Ｐ（MPa）との関係が示
されている。−20℃,0℃及び25℃のグラフからわかるよ
うに、この水素吸蔵合金は、−20℃から常温程度の温度
において、約0.1〜1MPaの圧力で水素を放出し、円滑に
水素を供給することができる。

これに対して、従来の通常の水素吸蔵合金（例えばマ
グネシウム系の水素吸蔵合金）では、常温における圧力
は非常に低く、円滑に水素を供給するためには300℃以
上の高温にする必要がある。

上記未反応燃料ガス処理装置６は、未反応であった水
素を排空気で燃焼させた後、燃焼ガス排出通路19を介し
て燃焼ガスを大気中に放出する。

上記燃料ガス供給弁７と減圧弁８とは燃料ガス供給通
路15に設けられ、減圧弁８はアノード２の内圧を一定に
するよう作動する。具体的には、負荷が増加してアノー
ド２内の圧力が低下すると圧力を一定に保つために減圧
弁８の開口度が増加する一方、負荷が減少すればアノー
ド２内の圧力が増加するためこれを低下させるべく減圧
弁８の開口度が減少するようになっており、これによっ
て、負荷に応じて燃料の流量が調整されることになる。

上記第１燃料ガス排出弁９と第２燃料ガス排出弁10と
は燃料排ガス排出通路16に設けられており、第２燃料ガ
ス排出弁10は第１燃料ガス排出弁９に比べて開口度が充
分小さくなるよう構成されている。そして、システム起
動時には、第１燃料ガス排出弁９を開いてアノード２内
の残留ガスを排出し、迅速に水素と置換させる。尚、こ
の場合には、第２燃料ガス排出弁10は開成していても閉
成していても良い。一方、システムが起動した後には、
第１燃料ガス排出弁９を閉じ、且つ第２燃料ガス排出弁
10を開いて若干量の水素を排気する。これによって、不
用意な燃料の流出を防止しつつ、燃料としては不活性な
気体（水蒸気等）がアノード２や燃料排ガス排出通路16
に残留するのを防ぐことができる。尚、第１燃料ガス排
出弁９の閉成時期としては十分な開回路電圧が発生した
後に行うのが望ましい。また、未反応であった水素は、
燃料排ガス排出通路16を介して燃料ガス処理装置６に与
えられることになる。

上記システム制御装置12は、空気供給装置５及び第１
燃料ガス排出弁９の電気的な制御を行うものであって、
燃料電池１を電源としている。

上記の構成において、本燃料電池発電システムの作動
を、以下に説明する。

燃料電池発電システムの停止時には、燃料ガス供給弁
７が閉じられており、水素貯蔵装置４内は密封されてい
るので、水素吸蔵合金から水素は放出されない。先ず、
操作者が燃料ガス供給弁７を開くと、燃料ガス供給通路
15を介して、水素貯蔵装置４から水素がアノード２に供
給される。この際、第１燃料ガス排出弁９は開成状態な
ので、システム起動前にアノード２や燃料排ガス排出通
路16を満たしていたガスは、第１燃料ガス排出弁９から
速やかに排気される（但し、第２燃料ガス排出弁10が開
いていれば、第２燃料ガス排出弁10からも若干排出され
る）。したがって、アノード２では、ガスが水素に置換
される。一方、カソードに通じる空気供給通路17は大気
に対して開放状態であるため、カソード３の近傍は空気
で満たされた状態となっている。したがって、このカソ
ード３の近傍の空気と上記アノード２に供給された水素
により開回路電圧が発生することになる。その後、充分
な開回路電圧が発生した時点で、システム制御装置12は
後述の回路により自動的に起動され、これにより燃料電
池発電システムの本作動が開始されることになる。即
ち、システム制御装置12は、燃料電池１で発生する電力
を空気供給装置５に供給してこれを駆動する。すると、
空気供給装置５から多量の空気がカソード３に供給され
る一方、アノード２には減圧弁８により減圧された水素
が供給され、これによって本格的な発電が開始されるこ
とになる。

尚、このような本格的な発電が開始されると、システ
ム制御装置12は第１燃料ガス排出弁９を閉じる（尚、第
２燃料排ガス出弁10が閉じていれば開ける）。これによ
って、未反応水素ガスは燃料としては不活性な気体（水
蒸気等）と共に第２燃料ガス排出弁10から排出され、燃
料処理装置６で燃焼した後、大気へ放出されることにな
る。

また、燃料電池１の冷却はカソード３に供給される反
応空気により行われる。燃料電池発電システムを停止す
るときには、操作者が燃料ガス供給弁７を閉じる。する
と、水素貯蔵装置からアノード２への水素供給が停止
し、燃料電池１での発電は停止する。

上記第８図の25℃のグラフにおいて、水素吸蔵量Ｘが
1.0以下では圧力が1MPaを越えないことからもわかるよ
うに、燃料ガス供給弁７を閉じておけば常温で水素貯蔵
装置４を保存することができる。

ここで、上記燃料電池発電システムを起動させる回路
について説明する。

この回路は、第２図に示すように、燃料電池１、燃料
電池１を電源とするシステム制御回路12、このシステム
制御装置12の電源スイッチとして機能するサイリスタ1
1、ツェナーダイオード13、コンデンサ14、抵抗15によ
り構成される。尚、図中、端子21・22は電力の外部取出
端子である。

燃料電池１に水素の供給を開始すると燃料電池１の電
圧が上昇し、コンデンサ14、ツェナーダイオード13各々
の両端の印加電圧が徐々に上昇する。そして、燃料電池
１の電圧が更に上昇し、ツェナーダイオード13にツェナ
ー電位以上の電圧が印加されると、ツェナーダイオード
13が通電状態となり、コンデンサ14に充電された電荷が
サイリスタ11のゲートを通して放電される。これによ
り、サイリスタ11がトリガーされて通電し、システム制
御装置12に電力が供給され、本作動が開始されることに
なる。

尚、水素−空気燃料電池である本実施例では、単セル
当たり約850mVの開回路電圧が得られれば充分水素が燃
料電池に供給されたと考えてよい。したがって、ツェナ
ーダイオード13のツェナー電位は、積層セル数に850mV
を乗じた数に近い値のものを選択するのが好ましい。

また、本システムは本質的に外部からの電力の供給あ
るいはシステムの起動のために蓄電池を内蔵する必要が
ない。但し、寒冷地での使用や、システム構成上の都合
等により蓄電池等を内蔵することも可能である。また上
記実施例では、燃料ガス供給弁７は手動で開成できるよ
うになっているが、燃料ガス供給弁７は、例えば圧縮空
気や電池によって作動するアクチュエータを備え、操作
者の指示に従って開成するような機構のものであって
も、同様に実施することができる。

更に、上記実施例では、２つの燃料ガス排出弁９・10
を設けているが、微調整可能な燃料ガス排出弁を１つだ
け設けるような構成であっても良い。

加えて、システム制御装置12への電力の供給開始は手
動で行うことも可能である。

第２実施例 本発明の第２実施例を、第３図に基づいて、以下に説
明する。第３図は燃料として水素を用いた本発明の第２
実施例に係る燃料電池発電システムのシステムフロー図
である。尚、第３図中、上記第１実施例と同一の機能を
有する部材については、同一の符号を付してその説明を
省略する。また、以下の実施例においてはシステム制御
装置12を省略しており、且つ燃料ガス排出弁として、微
調整可能なものを１つだけ用いている（図中45）。

水素貯蔵装置４内には、空気供給通路17における空気
供給装置５の上流側に設けられた熱交換器23が内設され
るような構造である。尚、図中24は連結手段であって、
この連結手段24を切り離すことにより水素貯蔵装置４を
容易に交換することが可能である。

ところで、発電時に水素吸蔵合金が水素を放出する
と、水素吸蔵合金の温度が徐々に低下し、周囲の温度以
下に低下する。この結果、水素の供給が困難となる。

ところが、上記構成であれば、熱交換器23において、
空気供給通路17の空気と水素貯蔵装置４内の水素吸蔵合
金とが熱交換されることになる。したがって、水素吸蔵
合金の著しい温度低下（水素吸蔵合金が水素を乖離しう
る下限の−20℃以下になる）を防止できるので、長時間
発電を行っても水素が十分に乖離することになる。この
結果、水素乖離源を別途設けることなく発電が円滑に行
われることになるので、システムの簡素化を図ることが
可能となる。

また、上記構成であれば、空気中の水蒸気が露結して
反応空気が除湿されるので、カソード３において生成水
の除去が促進される。

尚、上記実施例では反応空気を燃料電池１の冷却に用
いているが、空気供給通路17の他に、冷却のための空気
通路を別途設け、冷却空気と水素吸蔵合金とを熱交換す
るような構成としても良い。この場合には、冷却空気が
冷却されるため、燃料電池１の冷却が一層促進されるこ
とになる。

また、冬季或いは寒冷地で使用する場合には、水素貯
蔵装置４に水素乖離源としてのヒータ等を別途設けるよ
うな構成としても良い。

第３実施例 本発明の第３実施例を、第４図に基づいて、以下に説
明する。第４図は燃料として水素を用いた本発明の第３
実施例に係る燃料電池発電システムのシステムフロー図
である。尚、第４図中、上記第１実施例及び第２実施例
と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付
してその説明を省略する。

未反応燃料ガス処理装置６の下流側にある燃焼ガス排
出通路19に燃焼ガス排出弁25を設けると共に、燃焼ガス
排出通路19から水素吸蔵合金昇温用ガス通路26を分岐さ
せる。更に、水素吸蔵合金昇温用ガス通路26に、上流側
から順に、昇温量調整弁27と熱交換器28を設け、この熱
交換器28を水素貯蔵装置４内に配置する。

上記構成であれば、未反応燃料ガス処理装置６で排空
気と未反応水素とが燃焼した後排出される燃焼ガスは、
水素吸蔵合金昇温用ガス通路26を介して水素貯蔵装置４
内の熱交換器28に与えられる。したがって、水素吸蔵合
金が加熱され、水素が十分に乖離するので、アノード２
に水素が円滑に供給されることになる。その後、燃焼ガ
スはシステム外に排出される。尚、水素貯蔵装置４の温
度が異常に上昇して、装置内圧力が過度に増加するのを
防止すべく、燃焼ガス排出弁25と昇温量調整弁27とを調
整し、過剰の燃焼ガスは大気に放出する。

尚、冬季或いは寒冷地で使用する場合には、第５図に
示すように、水素貯蔵装置４内に、燃料電池１により作
動するヒータ30（スイッチ31をONすることにより作動）
を設けるような構成とすることも可能である。このよう
な構成とすれば、発電が一層円滑化する。また、燃料電
池１の温度が上昇したらヒータ30への通電を中止し、燃
焼ガスのみで水素貯蔵装置４を昇温させればよい。更
に、ヒータ30の作動は蓄電池で行うことも可能である。

第４実施例 本発明の第４実施例を、第６図に基づいて、以下に説
明する。第６図は燃料として水素を用いた本発明の第４
実施例に係る燃料電池発電システムのシステムフロー図
である。尚、上記第１実施例〜第３実施例と同一の機能
を有する部材については、同一の符号を付してその説明
を省略する。

燃料電池１の冷却板36を冷却するために、冷媒通路36
を設ける。この冷媒通路36には、液体の冷媒を循環させ
るための冷媒循環装置37と、３つの熱交換器38〜40とが
設けられている。上記熱交換器38は起動時及びその後の
短い時間に水素吸蔵合金を昇温させ、上記熱交換器39は
通常運転時に水素吸蔵合金が異常に温度上昇するのを防
止し、熱交換器40は起動時及びその後の短い時間に冷媒
の温度を上昇させる。また、上記熱交換器40はヒータ42
と熱交換する構造であって、このヒータ42と上記冷媒循
環装置37とは、燃料電池１により作動するような構造と
なっている（冷媒循環装置37の回路については図示せ
ず）。また、ヒータ42はスイッチ41によってON/OFFする
ような構成である。

上記構成において、発電が開始されると、空気供給装
置５と冷媒循環装置37とが起動すると共に、スイッチ41
をONしてヒータ42に通電を開始する。そうすると、冷媒
は熱交換器40で加熱された後、熱交換器38で水素吸蔵合
金と熱交換され、これによって水素吸蔵合金が加熱され
る。更に、冷媒は冷却板35を通って燃料電池１を加熱す
る。その後、再度ヒータ42で加熱されて、上記と同様の
動作が繰り返される。尚、燃料電池１は、上記の如く冷
媒によって昇温される他、ヒータ42を負荷として負荷昇
温もなされる。また、上記起動時付近では、熱交換器39
は作動しない構成となっている。

一方、通常運転が開始される（燃料電池１の温度が通
常運転の温度に達する）と、スイッチ41がOFFされて冷
媒の加熱が中止されると共に、熱交換器39が作動を開始
する。即ち、冷媒は熱交換器39で外部に放熱されるた
め、ある程度冷却されることになる。したがって、水素
吸蔵合金が加熱され過ぎるのを防止できるため、必要量
以上の水素が放出されるのを防止することができる。
尚、冷媒によって冷却板35が冷却されるので、燃料電池
１が円滑に冷却されることになる。

上記の如く本実施例では、通常運転開始前は、燃焼ガ
スの他冷媒によっても水素吸蔵合金が加熱されるので、
一層円滑に発電されることになる。

尚、水素を系外に排出しないようなシステムであって
も、未反応空気のみで同様な作動は可能である。

また、空冷式燃料電池においては、熱交換器39の代わ
りに、冷却空気の一部を常温の空気と置換するような構
成とすることが可能である。

第５実施例 本発明の第５実施例を、第７図に基づいて、以下に説
明する。第７図は燃料として水素を用いた本発明の第５
実施例に係る燃料電池発電システムのシステムフロー図
である。尚、上記第１実施例〜第４実施例と同一の機能
を有する部材については、同一の符号を付してその説明
を省略する。

本実施例の燃料電池システムは、２つの水素貯蔵装置
（第１水素貯蔵装置45と第２水素貯蔵装置46）を有して
おり、これに対応して２つの燃料ガス供給弁47・48と、
２つの熱交換器49・50を有している。上記第１水素貯蔵
装置45には、常温から−20℃程度の温度範囲で大気圧以
上の平衡圧を示す水素吸蔵合金が内蔵される一方、上記
第２水素貯蔵装置46には、上記水素吸蔵合金より高温で
水素を放出する水素吸蔵合金が内蔵されている。また、
第１水素貯蔵装置45は空気と熱交換される一方、第２水
素貯蔵装置46は燃焼ガスと熱交換される。

上記構成において、起動時には、燃料ガス供給弁47を
開いて第１水素貯蔵装置45から水素を放出し、アノード
２に水素を供給する。これにより発電が開始される。水
素を放出すると水素貯蔵装置45内の水素吸蔵合金の温度
が低下するが、熱交換器49で空気と熱交換されるので、
温度低下が防止でき、円滑に水素が放出される。

一方、通常運転時には、水素貯蔵装置46内の水素吸蔵
合金が熱交換器50で燃焼ガスと熱交換され、徐々に温度
が上昇する。そして、水素貯蔵装置46の内圧が水素貯蔵
装置45の内圧より大きくなると、燃料ガス供給弁48が開
成される。これにより、水素貯蔵装置46内の水素吸蔵合
金からアノード２に水素が供給され、この水素により発
電される。加えて、水素貯蔵装置45の水素吸蔵合金にも
水素が供給されるので、この水素吸蔵合金が水素を吸蔵
する。この際、水素貯蔵装置45の水素吸蔵合金の温度が
上昇するが、熱交換器49で反応空気と熱交換されるので
冷却される。したがって、上記水素吸蔵合金には水素が
円滑に吸蔵されることになる。

尚、燃料電池１の温度と共に未反応の空気温度が上昇
すれば、未反応水素燃焼熱のみならず、燃料電池排熱も
水素貯蔵装置46に与えられることになる。

また、空冷式燃料電池において反応空気と冷却のため
の空気の流路を異なる場合、或いは液冷式燃料電池で
は、冷媒との熱交換が可能な熱交換器を水素貯蔵装置45
・46に設けることが可能である。

また、連結手段24・24により水素貯蔵装置45・46を切
り離す場合において、水素貯蔵装置46からの水素により
水素貯蔵装置45に十分な水素が補充されていれば、水素
貯蔵装置46のみを交換すればよい。

発明の効果 以上説明したように本発明によれば、システム起動時
には、水素供給量を制御する流量制御手段が開成状態と
なって、水素貯蔵手段から燃料極に水素が供給される一
方、大気に対して開放状態の酸化剤極には空気が供給さ
れることになる。これにより、燃料電池において発電が
開始されて、開回路電圧が発生するので、システムを起
動するための電源や水素供給源が不要となる。この結
果、システム重量を増加させたり、外部に水素供給源を
設けることなくシステムを確実に起動させることができ
るという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料として水素を用いた本発明の第１実施例に
係る燃料電池発電システムのシステムフロー図、第２図
はシステム制御装置を起動するための回路図、第３図は
本発明の第２実施例に係る燃料電池発電システムのシス
テムフロー図、第４図は本発明の第３実施例に係る燃料
電池発電システムのシステムフロー図、第５図は第３実
施例の変形例に係る燃料電池発電システムのシステムフ
ロー図、第６図は本発明の第４実施例に係る燃料電池発
電システムのシステムフロー図、第７図は本発明の第５
実施例に係る燃料電池発電システムのシステムフロー
図、第８図は、第１実施例に係る水素吸蔵合金のPCT特
性図である。 １……燃料電池、２……アノード、３……カソード、４
……水素貯蔵装置、５……空気供給装置、８……減圧
弁、12……システム制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米津 育郎 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 名迫 賢二 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 藤谷 伸 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 松林 孝昌 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭51−96037（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−158016（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−170369（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−101062（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素極、及び少なくともシステム起動時に
   は大気に対して開放状態の酸化剤極を有する燃料電池
   と、 システム本作動時に、上記酸化剤極に酸化剤ガスを強制
   的に供給する酸化剤ガス供給手段と、 上記酸化剤ガス供給手段の駆動を制御する駆動制御手段
   と、 約−20℃から常温程度の温度で水素を乖離しうる水素吸
   蔵合金を有する水素貯蔵手段と、 上記水素貯蔵手段内の水素ガスを、前記燃料電池の水素
   極に供給する水素供給通路と、 上記水素供給通路に設けられ、水素供給量を制御するも
   のであって操作者によって開成可能な流量制御手段と、 前記水素貯蔵手段を昇温するための昇温手段と、 を有し、且つ システム起動時には、操作者が前記流量制御手段を開成
   することにより水素極に導入される水素と、前記酸化剤
   極の近傍に残存する空気とにより発生する燃料電池の出
   力で、前記酸化剤ガス供給手段及び上記駆動制御手段に
   電力を供給し、これによってシステムを本作動させるこ
   とを特徴とする燃料電池発電システム。