JP3470909B2 - ハイブリッド燃料電池 - Google Patents

ハイブリッド燃料電池

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  • Hybrid Cells (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に蓄電池を組
合わせたハイブリッド燃料電池に関し、特に、蓄電池に
冷却手段を設けたハイブリッド燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、水素と酸素との反応により水と電
気が発生することを利用した燃料電池に対して、これに
蓄電池を組合せることにより、その給電能力を安定させ
るようにした、所謂ハイブリッド燃料電池というものは
一般的に知られているが、燃料電池と蓄電池とを同一の
負荷に接続するようにしたハイブリッド燃料電池では、
一般に蓄電池が高率充電できないため、従来は、蓄電池
の出力容量に比べて燃料電池を小さなものとするか、あ
るいは、負荷への給電時には大きく、蓄電池の充電時に
は小さくなるように、燃料電池からの供給電力を変えて
対応するようになされている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な従来のハイブリッド燃料電池においては、蓄電池の出
力容量に比べて燃料電池を小さなものとした場合には、
全体出力を大きくとることができず、また、燃料電池か
らの供給電力を変えて対応するようにした場合には、燃
料電池が絶えず大きな負荷変動に追従することになり、
燃料電池セルの劣化が早く電池の寿命が短くなり、しか
も、大きな負荷変動に追従するさせるための燃料電池の
電力供給の制御も困難なものである。
【0004】そして、何れの場合においても、ハイブリ
ッド燃料電池としてのシステム自体が大型化し、充電速
度も遅いため、その用途が限定されたものとならざるを
得ない。そこで、充電時の発熱を抑えて蓄電池の劣化を
防止し、高率充電を可能とするためには、蓄電池に何ら
かの冷却手段を講じればよいのであるが、単に従来一般
に知られている冷却手段を付設するとなると、ハイブリ
ッド燃料電池のシステム全体がさらに大型化してしまう
こととなる。
【0005】本発明は、上記のような従来のハイブリッ
ド燃料電池の持つ不都合を解消することを目的としてお
り、より具体的には、ハイブリッド燃料電池のシステム
全体を大型化することなく蓄電池に冷却手段を設けるこ
とにより、ハイブリッド燃料電池を、高率充電を可能と
してコンパクトで高出力なものとし、蓄電池や燃料電池
セルの劣化を防止してその寿命が長いものとし、広い用
途に利用できるものとすることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決しかつ目的を達成するために、燃料電池に蓄電池を
組合せ、該燃料電池と蓄電池とを同一の負荷に接続する
ようにしたハイブリッド燃料電池において、本来燃料電
池に供給される流体(例えば、燃料等)を蓄電池の冷却
手段に使用し、蓄電池の温度を検出する温度検出手段を
設けて、該温度検出手段の検出値が所定値よりも高い場
合には、燃料電池に供給する流体を蓄電池に迂回させて
蓄電池の冷却後に燃料電池に供給し、該温度検出手段の
検出値が 所定値よりも低い場合には、直接燃料電池に流
体を供給するように構成したことを特徴とするものであ
る。
【0007】
【作 用】上記のような構成によって、蓄電池に冷却手
段が設けられているにもかかわらず、ハイブリッド燃料
電池のシステム全体が大型化することはなく、蓄電池に
冷却手段が設けられていることより、蓄電池が積極的に
冷却されて、充電時の発熱が抑えられ、蓄電池の劣化が
防がれると共に、充電が短時間で済んで高率充電が可能
となり、燃料電池の出力が充分に利用できるものとなっ
て、燃料電池の動作点が大きく変化することもないた
め、燃料電池セルの寿命も延び、燃料電池の発電制御も
容易なものとなる。
【0008】そして、燃料電池システム中に供給される
流体(例えば、燃料等)を蓄電池の冷却手段に利用して
いることで、蓄電池の冷却後に燃料電池に還流される流
体が、蓄電池の冷却による熱交換によって温められるた
め、この流体による燃料電池内での反応のための熱効率
が向上する。また、負荷が大きく蓄電池の発熱が大の時
に流体の流量が大となるため、蓄電池の温度の自己制御
が可能となり、その温度制御が容易となる。
【0009】
【実施例】以下、本発明のハイブリッド燃料電池の実施
例について、図面に基づいて説明する。
【0010】図1は、本発明のハイブリッド燃料電池の
一実施例を示すもので、ハイブリッド燃料電池は、改質
装置1と燃料電池セル2とを含む機構の燃料電池に、燃
料電池の燃料電池セル2によって充電される蓄電池3が
組み合わされて構成されるもので、負荷4に対しては、
燃料電池の燃料電池セル2と蓄電池3との両方から電力
が供給されるように接続されるものである。
【0011】改質装置1は、燃料ガスの水素を生成する
ためのもので、液体原料を気化させるための蒸発器5
と、蒸発器5により気化された原料ガスを反応させるた
めの反応層6と、それらの下方にあって蒸発器5と反応
層6を加熱するためのバーナ7m,7hとからなるもの
で、その下部には空気を送給する送風機11が接続され
ている。
【0012】バーナ7mは、燃料タンク8から供給され
てくるメタノールを燃料とするものであり、バーナ7h
は、燃料電池セル2から排気される余剰水素を燃料とす
るものであって、本実施例においては、これら2種類の
バーナが使用されているが、どちらか一方だけであって
も差し支えない。
【0013】燃料タンク8には、燃焼用の燃料としてメ
タノールが貯蔵されており、このメタノールが、供給ポ
ンプ9によりバルブ10を介してバーナ7mに供給さ
れ、送風機11から供給された空気によって燃焼される
ことにより加熱ガスとなって、蒸発器5と反応層6を加
熱する。
【0014】原料タンク12には、反応用の液体原料
(メタノールと水との混合液)が貯蔵されており、この
液体原料が、供給ポンプ13によりバルブ14を介して
蒸発器5に供給され、蒸発器5で気化したのち反応層6
で反応して水素主体の改質ガス(燃料ガス)に変えられ
る。
【0015】反応層6で生成された燃料ガスは、供給管
15により貯留タンク16に供給され、この貯留タンク
16に一時的に貯留された後に、所定量がバルブ17を
介して燃料電池セル2に供給される。貯留タンク16に
おける余剰の燃料ガスは、リリーフ弁18及びまたはバ
イパス弁19を介してバーナ7hに還流され、燃焼用に
消費される。
【0016】燃料電池セル2は、改質装置1において生
成された燃料ガスの水素と空気中の酸素とを反応させて
水と電気を発生させるためのもので、貯留タンク16と
はバルブ17を介して、送風機22とはバルブ23を介
してそれぞれ接続されていると共に、加熱のためにセル
ヒータ39が設けられている。この燃料電池セル2に
は、貯留タンク16からバルブ17を介して燃料ガスの
所定量が供給されると共に、送風機22からバルブ23
を介して空気が供給される。
【0017】燃料電池セル2に供給される空気は、送風
機22の上流側に熱交換機35および三方弁24が接続
されていて、改質装置1からの排気によって熱交換機3
5内で温められた高温空気と外気から直接供給される低
温空気とのいずれか一方が、三方弁24によって適宜選
択されて導入されるものである。
【0018】燃料電池セル2内では、供給された燃料ガ
ス中の水素と空気中の酸素とが反応して水と電気を発生
するのであるが、燃料電池セル2内で反応しないで排気
される余剰の空気は、三方弁25を介して蓄電池3に付
設した加熱器34に供給されるか、または外気へ排出さ
れ、未反応のまま排気された余剰の水素ガスは、リクレ
イマ20、バルブ21を経てバーナ7hに供給されるこ
ととなる。
【0019】このような水素と酸素とを燃料電池セル2
内で反応させることにより電気を発生させる燃料電池に
対して、蓄電池3が、燃料電池セル2と並列に負荷4に
接続され、かつ、燃料電池セル2によって充電されるよ
うに、電圧センサ27,37、電流センサ28およびレ
ギュレータ38を介して組み合わされている。
【0020】なお、電圧センサ27は蓄電池3の端子電
圧Vbを、電流センサ28は燃料電池セル2の出力電流
Icを、電圧センサ37は燃料電池セル2のセル電位V
cを、それぞれ検出するものである。また、蓄電池3と
燃料電池セル2の負荷4に対する電流のオン、オフは手
動スイッチ30により行われる。
【0021】上記のようなハイブリッド燃料電池におい
て、蓄電池3には、蓄電池3の温度、すなわち、蓄電池
3内の電解液の温度を常時検出するような温度センサ3
2が設けられていると共に、燃料電池セル2からの排気
による加熱器34と、改質装置1に供給される前の液体
原料による冷却器31とが設けられている。
【0022】加熱器34は、燃料電池セル2からの排気
の熱によって蓄電池3を加熱するもので、蓄電池3の温
度センサ32の検出信号に基づき、制御部33を介し
て、三方弁25の流路を加熱器34側か外気側かのいず
れかに切り換え操作することにより、蓄電池3への排気
の送給を制御するものである。
【0023】冷却器31は、改質装置1に送られる前の
低温の液体原料を冷却媒体として蓄電池3を冷却するも
ので、蓄電池3の温度センサ32の検出信号に基づき、
制御部33を介して、原料タンク12と改質装置1との
間に設けられた三方弁36を切り換え操作することによ
り、冷却媒体となる液体原料の蓄電池3への送給を制御
するものである。
【0024】なお、蓄電池3に冷却媒体となる流体を循
環させるための冷却器31自体の具体的な構造について
は、例えば、蓄電池全体を囲むジャケット内を流れる冷
却媒体により蓄電池の外面あるいは蓄電池の内部に通じ
る伝熱体を冷却するようにしたり、蓄電池の極板間の隙
間に冷却媒体を流すようにしたり、蓄電池の極板に設け
た貫通孔に冷却媒体を流すようにしたり、蓄電池自体を
その内部に冷却媒体の通過部を有する熱交換型バッテリ
としたりするなど、種々の態様を採ることが可能なもの
である。
【0025】このような冷却器31と加熱器34の制御
により、蓄電池3の温度を30〜40°Cの好ましい範
囲内に維持することができ、その電池寿命の短縮を防止
することができる。
【0026】なお、制御部33は、記憶部、演算部など
を有するマイクロコンピュータからなるもので、上記の
ような蓄電池3の温度の制御だけではなく、例えば、電
圧センサ27,37、電流センサ28から蓄電池3の端
子電圧、充電電流および燃料電池セル2の出力電流、セ
ル電位などの検出信号や、温度センサ41,42,4
3,44から反応層温度,バーナ温度,燃料電池反応温
度,雰囲気温度などの検出信号を入力し、これらの検出
信号に基づいてポンプ9,13、送風機11,22、バ
ルブ10,14,17,19,21,23,24などを
制御する信号を出力するなど、ハイブリッド燃料電池の
制御全般について行うためのものである。
【0027】以上、本発明のハイブリッド燃料電池の
実施例について説明したが、本発明は上記のような具体
的な構成にのみ限定されるものではなく、例えば、上記
の実施例においては、蓄電池3に加熱手段(加熱器3
4)をも併設することによりその温度制御を行う構成と
なっているが、ハイブリッド燃料電池が低温状態を考慮
する必要のない状況で使用される場合などについては、
蓄電池3に加熱手段を設ける必要はない。
【0028】また、冷却媒体として利用される燃料電池
中の流体については、上記のような改質装置1に供給さ
れる前の低温の液体原料に限定されるものではなく、例
えば、燃料タンク8からバーナ7mに供給される途中の
メタノール、送風機11から改質装置1に供給される途
中の空気、送風機22からに燃料電池セル2に供給され
る途中の空気などについても、三方弁などによる切り換
え操作により、冷却器31に適時送給することにより、
冷却媒体として利用することができるものである。
【0029】何れにしても、上記のように燃料電池中の
流体を冷却媒体として利用することにより、蓄電池3の
冷却による熱交換によって温められた流体が、改質装置
1あるいは燃料電池セル2に還流されることとなるた
め、改質装置1あるいは燃料電池セル2における反応効
率を高めることができ、しかも、負荷が大きく蓄電池の
発熱が大の時に流体の流量が大となるため、蓄電池の温
度の自己制御が可能となり、その温度制御が容易とな
る。
【0030】
【発明の効果】以上説明したような本発明のハイブリッ
ド燃料電池によれば、蓄電池に冷却手段が設けられてい
ることにより、充電時の発熱を抑えることができるの
で、蓄電池の劣化が防止され、高率充電が可能となり、
燃料電池の出力を充分に利用でき、燃料電池の動作点が
大きく変化しないので、セルの寿命が延びると共に、燃
料電池の発電制御が容易となる。しかも、蓄電池の冷却
手段が、燃料電池自体に本来供給される流体を利用した
ものであるため、ハイブリッド燃料電池のシステム全体
が大型化することなくコンパクトで高出力なものとなっ
て、その用途が広いものになると共に、燃料電池での反
応効率を高めることができ、また、蓄電池の温度制御を
容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のハイブリッド燃料電池の一実施例を示
す説明図。
【符号の説明】
1 改質装置 2 燃料電池セル 3 蓄電池 4 負荷 31 冷却器32 温度センサ(蓄電池の温度検出手段)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−47077(JP,A) 開 平3−179672(JP,A) 特開 昭64−38969(JP,A) 特開 平3−272567(JP,A) 特開 平4−352207(JP,A) 特開 平6−260196(JP,A) 実開 昭63−118167(JP,U) 実開 昭59−138173(JP,U) 実公 昭39−27903(JP,Y1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/00 H01M 8/04 H01M 10/50 H01M 16/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料電池に蓄電池を組合せ、該燃料電池
    と蓄電池とを同一の負荷に接続するようにしたハイブリ
    ッド燃料電池において、本来燃料電池に供給される流体
    が蓄電池の冷却手段に使用されており、蓄電池の温度を
    検出する温度検出手段が設けられていて、該温度検出手
    段の検出値が所定値よりも高い場合には、燃料電池に供
    給される流体が蓄電池に迂回されて蓄電池の冷却後に燃
    料電池に供給され、該温度検出手段の検出値が所定値よ
    りも低い場合には、直接燃料電池に流体が供給されるよ
    うに構成されていることを特徴とするハイブリッド燃料
    電池。
  2. 【請求項2】 燃料電池に供給される燃料が蓄電池の冷
    却手段に使用されていることを特徴とする請求項1に記
    載のハイブリッド燃料電池。
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