JP4123990B2 - 燃料電池の暖機システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池停止時に、運転時よりも燃料電池自体の温度が低下する場合に適用される燃料電池の暖機システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境問題、特に大気汚染に対する配慮から電気自動車が注目されており、電源として蓄電池を搭載した電気自動車にあっては、既に実用化の段階に入っている。しかしながら、蓄電池式電気自動車は、電池の蓄電能力との関係で走行距離が比較的短く、また充電時間が長い等の問題を有しているため、これを解消し得る電気自動車として、蓄電池に代えて、水素等の燃料と酸素等の酸化性ガスとの電気化学的酸化還元反応により発電する燃料電池を搭載した燃料電池式自動車の実用化が待たれている。
【0003】
燃料電池は、温度が低いと電解質膜上の触媒の活性が低くなるために電気化学的酸化還元反応が効率よく行われず十分に発電されない。この特性のため、燃料電池の起動時、特に冷機状態においては、燃料電池の温度が低いために燃料と酸素の反応が活発に行われず、未燃の水素が排出されてしまったり、始動直後に十分な車両の動力を得るのが困難であるという問題があった。
【0004】
そのため、従来においては、燃料電池の冷却系の冷却水が貯められる貯水タンク、又は貯水タンクから燃料電池に向けて冷却水を供給する経路に、加熱手段を設け、この加熱手段によって始動冷機時に積極的に冷却水を加熱して燃料電池の暖機を促進し、これにより始動冷機時の発電効率を向上するようにした燃料電池の暖機システムが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
【0005】
【特許文献1】
特開平7−94202号公報(第3,4頁、第1,3,7,9,11図)
【0006】
しかしながら、上記従来の燃料電池の暖機システムでは、熱を輸送する作動流体として冷却水を用いるため、停止時に燃料電池本体が冷え切った後の再起動時には、通常運転温度まで加熱するために、膨大なエネルギが必要となる。即ち、冷却系を循環する冷却水は、必要な冷却能力を確保するには大きな熱容量が必要であり、また、この貯水タンクには多量の冷却水が貯められる。このため膨大なヒータ電力を消費することになる上、ヒータ能力の大きなものを用いないと、暖機に時間がかかったり、外気温が低いときに十分に暖機できない。このように従来の暖機システムでは、短時間で起動することが困難であり、再起動時の効率も悪化するという問題がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、低温起動に必要な時間とエネルギとを低減することができる燃料電池の暖機システムを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の燃料電池の暖機システムを提供する。
請求項1に記載の燃料電池の暖機システムは、燃料電池冷却系を備えた燃料電池が、その内部に燃料と空気の混合気によって触媒燃焼を起こす触媒燃焼通路を有していると共に、該触媒燃焼通路が燃料電池冷却系の冷却水通路を兼用するようにしたものであり、これにより、燃料電池本体が冷え切った後の再起動時等において、この触媒燃焼通路に燃料と空気の混合気を流すことによる燃焼熱により、燃料電池の暖機を促進し、燃料電池の発電効率を向上することができる。
【0009】
請求項2の該暖機システムは、触媒燃焼通路の入口を局部的に暖めるグロープラグを装着したものであり、これにより、極低温時のように触媒の活性が低くなり、触媒燃焼が困難である場合でも、補助熱源によって触媒燃焼通路の入口を局部的に暖めてやることができ、確実に触媒燃焼が生じる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って本発明の実施の形態の燃料電池の暖機システムについて説明する。図1は、本発明の参考例1の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。燃料電池1のセル10は、電解質膜11の一方の面に触媒層14を介して燃料極12を、他方の面に触媒層14を介して空気極13を密着せしめてなり、このセル10をカーボン等を板状に成形したセパレータ15,16とが挟持している。セパレータ15,16の燃焼極12又は空気極13側の面に形成した凹部により、燃料極12側のセパレータ15と燃料極12とを通路壁面として燃料通路101が形成され、空気極13側のセパレータ16と空気極13を通路壁面として空気通路102が形成されている。
【0011】
燃料通路101には、一端側から燃料としての水素等Hが燃料電池1内に導入され、余剰水素が他端側から燃料電池1外に排出される。同様に空気通路102には、一端側から酸化剤としての空気又は酸素等Aが燃料電池1内に導入され、反応水を含む余剰空気が他端側から燃料電池1外に排出される。
【0012】
燃料電池1には、更に冷却水通路103が設けられており、燃料電池1を規定の温度状態に保つために、冷却水Wが冷却水通路103を通って流れる閉回路の燃料電池冷却系2が形成されている。この燃料電池冷却系は、ポンプ21及びラジエータ22を備えており、ポンプ21から排出された冷却水Wがラジエータ22によって冷却(燃料電池の熱を外部に放熱)され、燃料電池1の冷却水通路103を通ることによって燃料電池1を冷却し、その後、ポンプ21に戻る循環系が形成される。なお、ラジエータ22の前面或いは後面にはファン23が設けられている。
【0013】
更に燃料電池1には、本発明の特徴である触媒燃焼通路104が設けられている。この触媒燃焼通路104には、例えば水素と空気とを直前で混合した混合気Mを導入するようになっており、通路104の内壁に担持された触媒で混合気Mを燃焼して燃料電池1を加熱する。
なお、燃料電池1は、燃料極12及び空気極13のそれぞれにおける水素及び空気中の酸素との電気化学的酸化還元反応により、燃料極12と空気極13間に電圧が発生し、モータ、2次電池、インバータ等の電力供給先3に給電するようになっている。
【0014】
上記のように構成された参考例1の燃料電池の暖機システムの作動(起動から定常運転への移行)について説明する。起動時には、燃料電池冷却系2の作動は停止しておく。即ち、ポンプ21の作動は停止され、冷却水Wは燃料電池1に供給されないようにしておく。このようにして、燃料電池1内の冷却水Wを抜き取っておくことで、熱容量を低減でき、起動時間がさらに短縮できる。
次に、触媒燃焼通路104に水素と空気の混合気Mを供給する。この混合気Mは通路104内部に担持された触媒表面上で燃焼して、燃料電池1の電解質膜を暖機する。この場合、逆火防止のため水素と空気の混合気Mは通路104の直前で混合することにより作られる。
【0015】
本発明で採用される燃料電池1の高分子固体電解質膜は、触媒14の活性面から80℃程度に保って運転するのが望ましい。それ故、図示しない温度センサにてこの膜の代表点の温度を監視し、この膜の活性が引き出される或る一定の温度になった後に燃料電池1の運転を始める。即ち、燃料通路101に水素Hが供給され、空気通路102に空気Aが供給され、電気化学的酸化還元反応を起こさせ、電力供給先3に給電する。
燃料電池1自身で発電が始まると、発電時の放熱により電解質膜自身が加熱するので、この相乗効果を利用して、膜の温度が80℃程度になったところで、水素と空気の混合気Mの供給を止めて、触媒燃焼を止め、燃料電池冷却系2(ポンプ21)を稼動して膜の温度を80℃に制御する定常運転に移行する。このようにして、燃料電池の起動時の早期の立ち上げを可能としている。
【0016】
図2は、本発明の実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。参考例1では、燃料電池1内に専用の触媒燃焼通路104を設けていたが、この実施形態では、燃料電池1内に冷却水通路と触媒燃焼通路とを兼用した兼用通路105が設けられている。兼用通路105は、その内壁が触媒を担持しており、燃料電池冷却系2の一部をなしている。また、燃料電池冷却系2には新らたにタンク24が加えられると共に、ポンプ21の吸込側及びタンク24の排出側にはそれぞれバルブ25a,25bが設けられている。更に兼用通路105の前方及び後方にバルブ105a,105bが設けられている。この場合、バルブ25aと105a及びバルブ25bと105bをそれぞれ切替弁としてもよい。上記構成以外については、参考例1と同様の構成である。
【0017】
上記構成よりなる実施形態の燃料電池の暖機システムの作動(起動から定常運転への移行)について説明する。
燃料電池1の停止時に燃料電池冷却系2を停止する際に、次の起動に備えてバルブ105a,105bを閉じ、バルブ25bを閉じ、バルブ25aを開にして、冷却水Wの通路である兼用通路105内の冷却水Wをタンク24に追い込んで、この兼用通路105の内部を空にする。このことで、冷却水分の熱容量を低減でき、起動エネルギを低減することができる。また、燃料電池の発電時の発熱で兼用通路105内部を乾燥しておく。
【0018】
この状態で、バルブ105a,105bを開け、バルブ25a,25bを閉じて、起動時にこの兼用通路105に水素と空気の混合気Mを供給する。混合気Mは、この兼用通路105の内壁に担持された触媒表面上で燃焼して、燃料電池1の電解質膜を暖機する。この場合、逆火防止のため水素と空気の混合気Mは、兼用通路105の直前で混合することにより作られる。
【0019】
本実施形態で採用される燃料電池1の高分子固体電解質膜も、触媒14の活性面から80℃程度に温度を保って運転することが望ましい。それ故、図示しない温度センサでこの膜の代表点の温度を監視し、この膜の活性が引き出される或る一定の温度になった後に燃料電池1の運転を始める。即ち、燃料通路101に水素Hが供給され、空気通路102に空気Aが供給され、電気化学的酸化還元反応を起こさせ、電力供給先3に給電する。
【0020】
燃料電池1自身での発電が始まると、発電時の放熱により電解質膜自身が加熱するので、この相乗効果を利用して電解質膜の温度が80℃程度になったところで、定常運転に移行する。即ち、バルブ105a,105bを閉じて水素と空気の混合気Mの供給を止めて、触媒燃焼を止める。同時に、バルブ25a及び25bを開いて、この兼用通路105を冷却水Wが通る通路に切り替え、ポンプ21を起動して燃料電池冷却系2を稼動し、電解質膜の温度を80℃に制御する。なお、ポンプ21へのガスの吸込みを防止するため、バルブの切り替え時にタンク24に貯めた冷却水Wで兼用通路105内のガス抜きをする。
このようにして、燃料電池の起動時の早期の立ち上げを可能としている。
【0021】
図3は、図1,2に示される燃料電池単体を積み重ねて燃料電池を形成する際の触媒燃焼通路(104,105)の構成例を示したものであり、(a)は、触媒燃焼通路がパラレルに並んだ例を、また(b)は、一群のパラレルの触媒燃焼通路がシリーズにつながった例を、それぞれ示している。この場合、他の通路である、燃料通路101、空気通路102及び冷却水通路103も、同様にパラレル又はシリーズに構成することができる。
【0022】
図1,2の参考例1及び実施形態においては、燃料電池1内に触媒燃焼通路104,105を形成することで、水素と空気の混合気Mを触媒燃焼させることで、燃料電池1を暖機させているが、極低温時の起動の場合には、触媒の活性が低くなり、触媒燃焼が困難となり、未着火・不完全燃焼等の可能性が高くなる。別の実施形態では、この対策として、図1,2に点線で示すように触媒燃焼通路104,105の入口を局部的に暖めるグロープラグ等の補助熱源4を付加している。これにより、通路入口で触媒及び混合気を暖めることができ、触媒の活性を促すことができる。
【0023】
また、図1の参考例1の触媒燃焼通路104の代わりに、図4に示す参考例2では、燃料電池1の電解質膜上の触媒層14を用いて燃料と空気の混合気を燃焼させることで、燃料電池1を暖機させている。この場合、電解質膜11と燃料極12との間及び電解質膜11と空気極13との間に形成される触媒層14中を燃料である水素と空気の混合気Mが通り抜けるようにしてやる。また、この触媒層14上の燃焼による暖機は燃料極12側と空気極13側のいずれか一方であっても良い。
【0024】
図5は、本発明の参考例3の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。上述した参考例及び実施形態では、触媒燃焼通路をいずれも燃料電池内に設けたものであるが、参考例3では、触媒燃焼通路の代りに、燃料電池1の外部に触媒燃焼器5を設けている。即ち、図5においては、空気通路102の手前に触媒燃焼器5を設けて、起動時に、空気通路102に入る空気Aを触媒燃焼器5で加熱して、燃料電池1の空気通路102に送り込むようにしている。これにより、燃料電池1の電解質膜を暖機することができる。
なお、空気に代えて、燃料通路101に入る燃料(水素)Hを触媒燃焼器5で加熱するようにしてもよく、また、燃料電池冷却系2内に触媒燃焼器5を配置して、冷却水Wを加熱して燃料電池1内に送り込むようにしてもよい。
【0025】
図6は、本発明の参考例4の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。上述の参考例及び実施形態では、加熱源として触媒燃焼通路104,105又は触媒燃焼器5を使用しているが、本参考例4では、これらに代えて蓄熱器を使用している。例えば、図6に示す例では、燃料電池冷却系2にバイパス回路を設け、このバイパス回路に蓄熱器26を設けている。当然、バイパス回路の分岐点には三方形27a,27bが設けられていて、冷却水Wの流れが切り替えられるようになっている。即ち、通常運転中においては、一部の高温冷却水Wがバイパス回路を通って、蓄熱器26内に貯められて蓄熱し、起動時にバイパス回路のみを開放して、蓄熱器26内に貯められた高温冷却水Wを燃料電池1の冷却水通路103を通って循環させることによって、燃料電池1を暖機させるようにする。
【0026】
また、図2に示された実施形態において、燃料電池停止時に兼用通路105内の高温冷却水Wをバルブ105bを開けて外部に取り出して、完全に断熱した容器(図示せず)に閉じ込め、この高温冷却水Wを熱源として、空気や燃料(水素)を加熱するようにしてもよい。
【0027】
なお、上記説明では前述の参考例及び実施形態は、それぞれ単独で利用するように説明しているが、これらの参考例及び実施形態を適宜組み合わせて使用するも当然可能である。
【0028】
更に、前述の参考例及び実施形態の説明では、燃料電池の暖機システムの運転を、車両の起動時に稼動させるものとして説明しているが、リモコンとタイマーを組み合わせて、乗車前に運転者が起動時間を遡って、燃料電池の暖機システムの起動スイッチを入れることで、乗車時に即時に走行可能とすることも可能である。
【0029】
以上説明したように、本発明においては、触媒燃焼等を利用して燃料電池を早期に暖機でき、燃料電池式自動車の停止時での起動を短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の参考例1の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図2】 本発明の実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図3】 本発明の燃料電池内に設けられた触媒燃焼通路の構成を示す図で、(a)は、触媒燃焼通路をパラレルに配置した場合を、(b)は、一群の触媒燃焼通路をシリーズに配置した場合をそれぞれ説明する図である。
【図4】 本発明の参考例2の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図5】 本発明の参考例3の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図6】 本発明の参考例4の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【符号の説明】
1…燃料電池
10…セル
11…電解質膜
12…燃料極
13…空気極
14…触媒層
101…燃料(水素)通路
102…空気通路
103…冷却水通路
104…触媒燃焼通路
105…兼用通路
2…燃料電池冷却系
21…ポンプ
22…ラジエータ
24…タンク
26…蓄熱器
3…電力供給先
4…補助熱源
5…触媒燃焼器
A…空気
H…燃料(水素)
M…混合気
W…冷却水
Claims (2)
- 電解質膜の一方の面に燃料極を他方の面に空気極を有するセルをセパレータによって両側から挟み込み、燃料極側に燃料通路が、空気極側に空気通路が形成されている燃料電池が、その内部にさらに冷却水通路を有していて、冷却水が該冷却水通路を通って循環する燃料電池冷却系を備えている燃料電池の暖機システムにおいて、
前記燃料電池内に燃料と空気の混合気によって触媒燃焼を起こす触媒燃焼通路を設けると共に、前記燃料電池内の前記触媒燃焼通路が前記冷却水通路を兼用していることを特徴とする燃料電池の暖機システム。 - 前記触媒燃焼通路の入口を局部的に暖めるグロープラグを装着することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池の暖機システム。
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