JP4844797B2 - 燃料電池スタックの暖機装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックの暖機装置に関し、特に、潜熱蓄熱材を利用した暖機装置に関する。

燃料電池は、水素と酸素の反応から水を生成する反応により電気を作り出す。かかる反応は発熱反応であるため、定置型などの連続運転では温度低下はほとんどなく、水蒸気が凝結して氷が生成される心配はない。しかしながら、車載用の燃料電池スタックの場合は、走行時は問題ないが、駐車場やガレージへの車両駐車時に外気温が低下すると、水蒸気が凝結して氷になることがある。かかる場合には、セル内のガス拡散が一部閉塞され、発電できなくなる場合や性能低下を生ずることがある。さらに、燃料極側での氷結による部分的なガス欠は、セル自体を劣化させる要因ともなる。

この対策として、起動時にヒータや燃料ガスを使用した燃焼などによる熱エネルギーを利用して燃料電池スタックを暖機する、あるいは、停止時にドライガスを流したりヒータ等で加温することによって、氷結の原因となるセル内の水分量を低減させることも考えられるが、いずれの場合もエネルギー消費が生じるため、燃料電池システム全体としてのエネルギー効率を低下させてしまう。このような背景から、熱交換媒体（冷却水）に潜熱蓄熱材を混入し、潜熱蓄熱材の相変化に伴う発熱にて燃料電池スタックを暖機する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１５０３３６号公報

上記のとおり、特許文献１に記載の技術は、凝固しても流動性を保つ潜熱蓄熱材を熱交換媒体に混入することにより、潜熱蓄熱材の相変化をラジエータで生じさせ、この相変化による発熱を利用して燃料電池スタックを暖機するものであるが、かかる構成では、潜熱蓄熱材の混入に起因して熱交換媒体の流れの抵抗が増大するため、熱交換媒体を圧送する手段（例えば、圧縮機）の大型化や消費電力の増大を招いてしまう。

そこで、本発明は、潜熱蓄熱材を含まない一般的な熱交換媒体を用いた燃料電池スタックの暖機を可能とすることを目的とする。

本発明は、燃料電池スタックと、該燃料電池スタックと熱交換する熱交換媒体が流通する流路とを備えた燃料電池システムに適用される燃料電池スタックの暖機装置であって、前記熱交換媒体との間で熱交換が可能に設けられ、燃料電池スタックの暖機時に発熱する潜熱蓄熱材を有するものである。

このような構成では、潜熱蓄熱材が発熱すると、発生した熱は熱交換媒体を介して燃料電池スタックへと伝熱する。よって、潜熱蓄熱材を含まない一般的な熱交換媒体を用いた燃料電池スタックの暖機が可能となる。

潜熱蓄熱材は、例えば、酢酸ナトリウム・三水和物、リン酸水素二ナトリウム・十水和物、硫酸ナトリウム・十水和物、チオ硫酸ナトリウム・五水和物、及び塩化カルシウム・六水和物等、過冷却可能な蓄熱材であって、過冷却状態が解除されて液体（ジェルを含む）から固体へと相変化を起こすと、その相変化の際に凝固熱を発生するものである。

本発明は、熱交換媒体の流路に設けられた潜熱蓄熱材をバイパスするバイパスルートを有する構成でもよい。このような構成では、必要に応じて、潜熱蓄熱材と熱交換媒体との間の熱交換を禁止することが可能となる。

この場合、潜熱蓄熱材の温度に応じて、熱交換媒体の流路を潜熱蓄熱材が設けられたルートからバイパスルートに切り換える構成としてもよい。例えば、「潜熱蓄熱材の温度＞所定温度」となった場合に切り換えを行えば、潜熱蓄熱材が高温に晒されることによる性能低下を防止することができる。また、暖機中に「熱交換媒体の温度＞潜熱蓄熱材の温度」となった場合に切り換えを行えば、熱交換媒体から潜熱蓄熱材への熱移動（熱交換媒体の温度低下）を防止することができる。

本発明において、熱交換媒体の流路のうち潜熱蓄熱材と熱交換する部分は、他の部分の圧損と同程度である構成でもよい。このような構成では、熱交換媒体の流通抵抗の上昇が抑制される。

本発明の潜熱蓄熱材は、熱交換媒体の流路管を覆うように設けられている構成でもよい。このような構成では、圧損の増加を招くことがないうえに、潜熱蓄熱材のメインテナンスも容易となる。

本発明は、始動時に、潜熱蓄熱材の相変化を促す制御部を有する構成でもよい。このような構成では、解氷が必要な始動時の暖機を確実に行える。

本発明の制御部は、スタック温度が所定値以下の場合にのみ相変化を促す構成でもよい。このような構成では、始動時であっても、真に暖機が必要な場合にのみ選択的に暖機を行うことが可能となる。

本発明の制御部は、駆動中に検出された燃料電池スタックの温度が所定値以上の場合にのみ潜熱蓄熱材の相変化を促す構成でもよい。このような構成では、駆動中に潜熱蓄熱材への蓄熱（固体から液体への相変化）が完了している場合にのみ始動時の相変化を促すことが可能となり、始動時の発熱量を十分に確保することができる。

本発明によれば、潜熱蓄熱材が発熱すると、発生した熱は潜熱蓄熱材から熱交換媒体へと伝熱した後、この熱交換媒体を介して燃料電池スタックへと伝熱するので、これにより、潜熱蓄熱材を含まない一般的な熱交換媒体を用いた燃料電池スタックの暖機が可能となり、熱交換媒体を圧送する手段を簡素化できると共に、その消費電力も低減することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの暖機装置を備えた燃料電池システムの要部を示すシステム構成図である。この燃料電池システムは、特に燃料電池車両の車載発電システムに用いて好適であるが、その他に、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

燃料電池スタック１０は、図１に示すように、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセル１１が多数積層されてなる。図１では図示を省略しているが、燃料電池スタック１０のカソードには酸化剤ガスとしての空気（酸素）が供給され、燃料電池スタック１０のアノードには燃料ガスとしての水素が供給される。

燃料電池スタック１０には、これら反応ガス（水素および空気）の他に、冷却水（熱交換媒体）も供給される。冷却水は、ポンプ（圧縮機）２０によって冷却水系（熱交換媒体の流路）２１を流れ、通常運転時は、ラジエータ２２で冷却（熱交換）されてから燃料電池スタック１０に供給される。冷却水系２１の燃料電池スタック入口側及び出口側には、冷却水温を検出する温度センサＴ１，Ｔ２が設けられている。

温度センサＴ２の下流側には三方弁ＴＷＶ１が設けられている。この三方弁ＴＷＶ１の下流側流路は、相変化により発熱する蓄熱蓄熱材３０が着脱可能に設けられた蓄熱材付設配管（潜熱蓄熱材が設けられたルート）２３と、潜熱蓄熱材３０をバイパスする蓄熱材バイパス配管（バイパスルート）２４とに分岐している。潜熱蓄熱材３３の相変化は、トリガ３１を作動させることによって促される。

潜熱蓄熱材３０は、図２に示すように、蓄熱材付設配管２４をその外周側から覆うように設けられている。具体的には、潜熱蓄熱材３０はポリエチレン等の耐食性樹脂からなる平板状の袋体に充填されていて、この袋体が蓄熱材付設配管２４に巻きつけられている。これにより、冷却水系２１のうち潜熱蓄熱材３０と熱交換する部分は、潜熱蓄熱材３０を管内に配置した場合のように流通抵抗の上昇を招かず、他の部分の圧損と同等になっている。また、潜熱蓄熱材３０の着脱が容易となるから、メインテナンス性も向上する。

さらに、潜熱蓄熱材３０と蓄熱材付設配管２４とが袋体によって隔絶されているので、蓄熱材付設配管２４が例えばＳＵＳやＦｅ等で構成されている場合でも、潜熱蓄熱材３０による蓄熱材付設配管２４の腐食を効果的に防止することができる。なお、潜熱蓄熱材３０の外周には、図２に示すように、スポンジ等の断熱材３２が当該潜熱蓄熱材３０をその外周側から覆うように設けられている。

潜熱蓄熱材３０は、酢酸ナトリウム・三水和物、リン酸水素二ナトリウム・十水和物、硫酸ナトリウム・十水和物、チオ硫酸ナトリウム・五水和物、及び塩化カルシウム・六水和物等、過冷却可能な蓄熱材であって、例えば振動や衝撃等の外乱がトリガ３１によって機械的あるいは電気的な要因にて与えられると、過冷却状態が解除されて液体（ジェルを含む）から固体へと相変化を起こし、その相変化の際に凝固熱を発生するものである。

トリガ３１の構成としては、例えば、コイルと、該コイルの内部に進退可能に配されたプランジャと、該プランジャを前進方向に付勢するバネ等の付勢手段と、コイルへの通電を制御する制御手段とを備えた構成の採用が可能である。この構成では、トリガ作動前は、コイル通電による電磁力でプランジャをバネの付勢力に抗する方向（潜熱蓄熱材３０から離間する方向）に後退させておき、トリガ作動時にコイル通電をカットして電磁力を解除することにより、プランジャをバネの付勢力方向に駆動して潜熱蓄熱材３０に機械的な衝撃を与えることができる。

冷却水系２１には、ラジエータ２２をバイパスするラジエータバイパス配管２５が設けられている。ラジエータバイパス配管２５には、その上流側から順に、三方弁ＴＷＶ２と逆止弁ＣＶ１が設けられている。三方弁ＴＷＶ２には、蓄熱材バイパス配管２４の下流端と、蓄熱材付設配管２３の下流端が接続されている。逆止弁ＣＶ１は、上流から下流に向かう一方向のみの冷却水流通を許容する。

以上の構成により、所定の場合（例えば、始動時等の暖機時）には、燃料電池スタック１０から流出した冷却水を蓄熱材付設配管２４側に通した後、ラジエータ２２で冷却（熱交換）せずに、そのまま燃料電池スタック１０に供給することが可能になっている。

また、必要に応じて、潜熱蓄熱材３０と冷却水との間の熱交換を禁止すべく、潜熱蓄熱材３０の温度に応じて（例えば、「潜熱蓄熱材３０の温度＞所定温度」の場合や「冷却水の温度＞潜熱蓄熱材３０の温度」の場合）、燃料電池スタック１０から流出した冷却水に蓄熱材付設配管２４をバイパスさせることも可能になっている。

制御部１００（図１）は、制御コンピュータシステムによって構成されていて、図示しない車両のアクセル開度信号等の要求負荷、燃料電池システムの各部に設けられたセンサ（圧力センサ、温度センサＴ１，Ｔ２、流量センサ、電流計、電圧計等）、各機器（エアコンプレッサ、ポンプ２０等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類（三方弁ＴＷＶ１，ＴＷＶ２等）やモータ類の運転を制御する。

例えば、制御部１００は、始動時であって、燃料電池スタック１０の温度（スタック温度）が所定温度以下の場合には、トリガ３１を作動させて機械的な振動や衝撃等を潜熱蓄熱材３０に与えることにより、潜熱蓄熱材３０の相変化（液体→固体）を促し、凝固熱を発生させる。

ただし、かかる場合においても、始動時の発熱量を十分に確保すべく、前回駆動時に検出された燃料電池スタック１０の温度が後述する所定のしきい値以上のときにのみ、潜熱蓄熱材３０の相変化を促すようにしている。また、冷却水系２１の流路を蓄熱材付設配管２４側あるいは蓄熱材バイパス配管２３側に切り換える。

以上の説明から明らかなように、本実施形態における燃料電池スタックの暖機装置は、冷却水系２１に付設されて冷却水との間で熱交換可能に設けられたものであり、燃料電池スタック１０の暖機時に発熱する潜熱蓄熱材３０と、該潜熱蓄熱材３０の相変化を促すトリガ３１と、該トリガ３１の作動を制御する制御部１００と、冷却水に潜熱蓄熱材３０をバイパスさせる蓄熱材バイパス配管２３と、蓄熱材バイパス配管２３と連通するラジエータバイパス配管２５と、冷却水系２１の流路を切り換えるための三方弁ＴＷＶ１，ＴＷＶ２とを備えて構成されている。

次に、かかる構成からなる燃料電池スタックの暖機装置の作用を説明する。燃料電池システムの駆動中は、スタック排熱により温度上昇した冷却水（以下、加温冷却水）が燃料電池スタック１０から流出する。この加温冷却水は、図４の実線矢印で示すように、蓄熱材バイパス配管２３側を流通した後、ラジエータ２２で冷却される。ラジエータ２２で冷却された加温冷却水は、燃料電池スタック１０に戻り、該燃料電池スタック１０を冷却する。

このシステム駆動中、所定のタイミングにて三方弁ＴＷＶ１，ＴＷＶ２が開閉制御されることにより、加温冷却水の一部は、図４の破線矢印で示すように、蓄熱材付設配管２４側に導入される。すると、潜熱蓄熱材３０は、加温冷却水から熱を吸収することで固体から液体へと相変化し、潜熱が蓄熱される。この蓄熱工程中、潜熱蓄熱材３０の温度は、不図示の温度センサで監視されている。潜熱蓄熱材３０の温度は、蓄熱の完了判定や、冷却水系２１の流路切換判定等に用いられる。

図３に示すように、潜熱蓄熱材３０が外部から熱を吸収して固体から液体に相変化する際には、熱を吸収しても温度が上昇しない所定の遷移期間が存在し、潜熱蓄熱材３０は遷移期間を経た後に液体に相変化する。したがって、蓄熱完了を判定するためのしきい値は、遷移期間を若干超えた温度ＴLに設定される。なお、システム停止後に外気温が低下しても、固体から液体に相変化した潜熱蓄熱材３０は、その自己蓄熱性により、液体から固体に変化することはない。

潜熱蓄熱材３０の蓄熱完了後は、冷却水系２１の流路を蓄熱材付設配管２４側から蓄熱材バイパス配管２３側へと切り換えることが好ましい。燃料電池スタック１０の駆動温度は例えば８０℃前後に設定されており、潜熱蓄熱材３０の蓄熱完了後はフェールセーフの観点から、冷却水をラジエータ２２で冷却して燃料電池スタック１０に戻すことが好ましいからである。

よって、蓄熱完了後に、潜熱蓄熱材３０の温度が所定温度（例えば、５０℃〜７０℃）を超えた場合は、図４の実線矢印で示すように、冷却水の蓄熱材付設配管２４側への導入を止め、冷却水が蓄熱材バイパス配管２３側を流通するように、三方弁ＴＷＶ１，ＴＷＶ２が開閉制御される。

一方、燃料電池システムの始動時は、燃料電池スタック１０から流出した冷却水が蓄熱材付設配管２４側（図５の実線矢印）に導入されるように、三方弁ＴＷＶ１，ＴＷＶ２が開閉制御されている。そして、燃料電池スタック１０の温度（スタック温度）を検出する。本実施の形態では、冷却水系２１の燃料電池スタック出口側に配設された温度センサＴ２で検出された冷却水温度をスタック温度とみなす。

このスタック温度が所定温度（例えば、暖機が必要な温度）以下の低温始動時の場合であって、かつ、前回駆動時に検出された燃料電池スタック１０の温度がしきい値である温度ＴL以上の場合には、トリガ３１を作動し、潜熱蓄熱材３０に機械的な振動や衝撃を与える。すると、潜熱蓄熱材３０の過冷却状態が解除され、潜熱蓄熱材３０は液体から固体へと相変化し、その相変化に伴い凝固熱を発生する。この凝固熱により、蓄熱材付設配管２４側に導入された冷却水は加温される。

加温された冷却水は、ラジエータ２２で冷却されることなく、燃料電池スタック１０に供給されるので、低温始動時はもとより通常始動時においても、燃料電池スタック１０の温度は早期に上昇する。このように、潜熱蓄熱材３０が発した凝固熱は当該潜熱蓄熱材３０から冷却水へと伝熱した後、この冷却水を介して燃料電池スタック１０へと伝熱するので、潜熱蓄熱材３０を含まない一般的な冷却水を用いた燃料電池スタック１０の暖機が可能となり、冷却水を圧送するポンプ２０を簡素化できると共に、その消費電力も低減することができる。

暖機が進むと、スタック排熱によって冷却水の温度は次第に上昇する。よって、「冷却水の温度＞潜熱蓄熱材３０の温度」となった場合には、図４の実線矢印で示すように、冷却水の蓄熱材付設配管２４側への導入を止め、冷却水が蓄熱材バイパス配管２３側を流通するように、三方弁ＴＷＶ１，ＴＷＶ２が開閉制御される。これにより、冷却水から潜熱蓄熱材３０への熱移動（冷却水温の低下）が抑制されるので、燃料電池スタック１０の暖機性能低下を防止することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、トリガは、上記の構成以外に、ピエゾ素子等の振動子と、該振動子に電圧を印加する電圧印加手段と、印加電圧を制御する制御手段とを備えた構成としてもよい。この構成では、振動子に電位差を与え、振動する振動子によって潜熱蓄熱材３０に機械的な振動を連続的に与えることができる。

また、トリガは、潜熱蓄熱材３０内に配される電極と、該電極への通電を制御する制御手段とを備えた構成としてもよい。この構成では、電極への通電によって潜熱蓄熱材３０に電気的な衝撃を与えることができる。

潜熱蓄熱材３０を蓄熱材付設配管２４に取替え可能にする構成は、上記実施形態の構成以外に、潜熱蓄熱材３０が設けられた配管部分を他の配管部分に着脱可能に接続することによって、この潜熱蓄熱材３０が設けられた配管部分全体をそのまま取り替える構成としてもよい。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池スタックの暖機装置を備えた燃料電池システムの要部を示すシステム構成図。 図１に示す蓄熱材付設配管の横断面図。 潜熱蓄熱材の相変化と温度との関係を示す特性図。 通常運転時および蓄熱時の冷却水流路を示す図１の要部拡大図。 始動時の冷却水流路を示す図１の要部拡大図。

符号の説明

１０…燃料電池スタック、２１…冷却水系（熱交換媒体が流通する流路）、２３…蓄熱材バイパス配管（バイパスルート）、２４…蓄熱材付設配管（潜熱蓄熱材が設けられたルート）、３０…潜熱蓄熱材、３１…トリガ、１００…制御部、Ｔ１，Ｔ２…温度センサ

Claims (3)

1. 燃料電池スタックと、該燃料電池スタックと熱交換する熱交換媒体が流通する流路とを備えた燃料電池システムに適用される燃料電池スタックの暖機装置であって、
   前記熱交換媒体との間で熱交換が可能に設けられ、燃料電池スタックの暖機時に発熱する潜熱蓄熱材と、
   熱交換媒体の流路に設けられた潜熱蓄熱材をバイパスするバイパスルートと、
   始動時に、潜熱蓄熱材の相変化を促す制御部と、
   を有し、
   前記潜熱蓄熱材は耐食性樹脂からなる袋体に充填され、該袋体が蓄熱材付設配管に接触しているとともに、前記潜熱蓄熱材と蓄熱材付設配管とが前記袋体によって隔絶されており、
   前記制御部が、潜熱蓄熱材の温度に応じて、熱交換媒体の流路を潜熱蓄熱材が設けられたルートからバイパスルートに切り換える機能を有する、燃料電池スタックの暖機装置。
2. 前記制御部は、スタック温度が暖機が必要となる所定値以下の場合にのみ、液体から固体への相変化を促す請求項１に記載の燃料電池スタックの暖機装置。
3. 前記制御部は、駆動中に検出された燃料電池スタックの温度が前記潜熱蓄熱材の相変化時の温度を若干超えた所定値以上の場合にのみ、潜熱蓄熱材の液体から固体への相変化を促す請求項１又は２に記載の燃料電池スタックの暖機装置。

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