JP4974678B2 - 吸着アキュムレータを備えた移動用として使用可能な燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部分による移動用途用の燃料電池システムに関する。本発明は、この種の燃料電池システムの運転方法にも関する。

収着又は吸着アキュムレータの貯蔵原理は、例えばシリカゲルのようないくつかの高度多孔質材料が、水の蒸気を吸引して材料表面に結合し、熱を放出する特性に基づいている。この水の蓄積が吸着と呼称される。この種の吸着アキュムレータは、包装材料における乾燥剤として多く使用されている。逆に、材料を加熱すると、結合された水が水蒸気の形で再放出又は脱着されるが、その間、アキュムレータには同時に熱エネルギが供給される。このプロセスは所要の頻度で繰り返すことができる。吸着アキュムレータは熱エネルギを高密度貯蔵することができる。

吸着アキュムレータは定置式の暖房装置において用いられる。この場合、吸着アキュムレータは、熱エネルギの時間的変動を均衡させる機能を果たすことによって、特に、太陽熱装置と地域暖房システムとのエネルギ収支を改善するために用いられる。

移動用途用としては、特にいわゆるコールドスタートを補助するために、熱絶縁された高温水容器（いわゆる顕熱貯蔵）、あるいは、材料の相変化を利用するアキュムレータ（いわゆる潜熱貯蔵）、あるいは、移動燃焼装置又は電気加熱装置（独立ヒータ）に基づく加熱装置を用いるのが通例である。例えば、公開公報である特許文献１は、移動燃料電池システムにおける潜熱貯蔵の利用に関するものである。

吸着アキュムレータは、移動用途分野にもその使途を見出している。例えば公開公報の特許文献２は、内燃機関によって駆動される自動車における吸着アキュムレータの利用を開示している。この場合、吸着アキュムレータによって貯蔵される熱エネルギを、車内の暖房に使用し得る他、車両を駆動する内燃機関を始動に先立って暖機するためにも利用することができる。

特許文献３は、吸着アキュムレータを、自動車の燃料電池ユニットの暖機に利用している。吸着アキュムレータには凝縮器／蒸発器が付属しており、その中の水を、吸着アキュムレータの熱エネルギ放出に利用することができる。燃料電池ユニットが十分な運転温度に達すると、吸着アキュムレータは、この凝縮器並びに２つの下流側の熱交換器と共に燃料電池ユニットの冷却器として機能する。１つの熱交換器は燃料電池ユニットの熱を大気に放出する。提案されているこのシステムは、水収支の点で、環境との間の水の交換のない閉鎖系である。吸着アキュムレータの熱エネルギ放出用の水は、凝縮器において恒久的に使用することができる。このため、このシステムの場合、氷点を超える温度においてのみ起動が可能である。

国際公開第０２／０５４５２０号パンフレット 独国特許出願公開第４３ １０ ８３６ Ａ１号明細書 特開平１０−１４４３３３号明細書

本発明の目的は、簡単な構造で、僅かな設置空間しか要せず、かつ、特に氷点以下の温度において急速にコールドスタートし得る燃料電池システムを提供することにある。さらに、この種の燃料電池システムの運転方法を提供することも本発明の目的である。

この目的は請求項１の特徴を有する燃料電池システムと、請求項４の特徴を有するこの種の燃料電池システムの運転方法とによって実現される。

本発明に基づく燃料電池システムは、電気エネルギを発生させる燃料電池ユニットと、この燃料電池ユニットに付属する熱放出用の吸着アキュムレータとを含む。吸着アキュムレータは熱交換器に熱的に働くように接続されており、この熱交換器は、燃料電池ユニットの下流側において、燃料電池ユニット付属の冷却回路に配置されている。特に、燃料電池の生成廃棄物、すなわち燃料電池排気ガスもしくは水蒸気の形の水を、ラインを経由して吸着アキュムレータに送ることができるようになっている。

本発明の方法によれば、燃料電池システムを起動している時に、冷却回路における冷却液を、吸着アキュムレータに貯蔵された熱によって熱交換器を介して加熱する。この場合、燃料電池生成排気ガス、すなわち水又は水蒸気が、同時に、エネルギ交換媒体として吸着アキュムレータに送られる。この過程では吸着アキュムレータは冷却される。コールドスタートが完了して、燃料電池ユニットが、さらなる加熱を要しない温度に達すると、すなわち燃料電池ユニットが通常運転状態になると、吸着アキュムレータの吸着能回復のために、吸着アキュムレータに熱交換器を経由して熱を再度供給する。この方法で、貯蔵された水は放出される。燃料電池システム又は燃料電池車両の運転中に燃料電池から排出される廃熱を、吸着アキュムレータの吸着能回復に用いることが望ましい。

吸着アキュムレータを使用すると、高いエネルギ密度及び熱損失のない貯蔵という特徴を有する熱貯蔵が可能になり、しかも、有利なことにいかなる付加的な構成要素をも必要としない。これらの付加的な構成要素は、例えば電気加熱装置、触媒バーナ、独立ヒータ装置等がそうであるように、等しくエネルギ消費型である可能性が高いのである。燃料電池システムの廃熱が吸着アキュムレータの吸着能回復に用いられるので、燃料電池ユニット及び燃料電池システムの他のあらゆる構成要素を、コールドスタートの間、確実かつ経済的に加熱することができる。この方式で、冷却液の高い性能が保持される。熱貯蔵の期間は、いかなる時間的制限を受けることもなく、又大気温度とも無関係である。

他の熱貯蔵法に比して、吸着アキュムレータのエネルギ密度は約２．５〜５倍にもなり得るほど高いので、熱貯蔵装置又はその構成要素の容積及び重量を節減することができる。さらに容積及び重量を節減し得る潜在的な可能性が、吸着アキュムレータに特有の無損失の熱化学的熱貯蔵から引き出される。従って、吸着アキュムレータは僅かな搭載空間を必要とするのみである。吸着アキュムレータに使用する貯蔵材料又は貯蔵媒体は、好ましくは、金属水素化物、シリカゲル、及び／又はゼオライトを含むが、これらは、腐食性もなく、汚染性もなく、環境有害性もない。

本発明による燃料電池システムは、特に水収支に関しても、エネルギ及び物質の両者を環境と交換する開放系であり、特に水は水蒸気の形で環境と交換される。吸着アキュムレータの熱エネルギ放出用の水を付加的な容器の中から使用する必要は全くない。その結果、氷点以下の温度における燃料電池システムの凍結が好適に避けられ、システムを氷点以下の温度においても起動することができる。

本発明による解決策は、当然、従来型の内燃機関車両駆動装置の低温始動補助にも使用することができる。

本発明のさらに有利な形態が、従属請求項と、図面を参照して以下に説明する代表的な実施形態とから明らかになるであろう。

図面においては、同一の参照符号は機能的又は構造的に同一の構成要素を示すように付されている。流れの方向は矢印で示される。

図１は、本発明による燃料電池システムを、起動運転、特にコールドスタート運転の状態において、図式的に示している。この燃料電池システムは、燃料電池ユニット又は燃料電池モジュール１を含んでいる。燃料電池ユニットは、スタックの形に互いに連結される複数の燃料電池セル（図示なし）を含んでいる。用いる燃料電池セルは高分子電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池セルとするのが好ましい。燃料電池ユニット１には、反応成分として水素及び空気の形の酸素を供給する。燃料電池ユニット内で生起する電気化学的反応において、電気エネルギと、熱と、生成廃棄物としての特に水蒸気の形の水とが形成される。大気中の酸素はライン９を通して燃料電池ユニット１に供給される。燃料電池の生成廃棄物はライン１０を経由して放出される。水素の供給ラインは明瞭であるので表示されていない。

燃料電池ユニット１は、燃料電池ユニット１に付属する第１の冷却回路４、５の中に配置し、冷却液送り出し用の冷却液ポンプ８を、好ましくは燃料電池ユニット１の上流側に配備する。さらに、熱交換器２を、第１冷却回路４、５の、燃料電池ユニット１の下流側で、好ましくは冷却液ポンプ８の上流側に設ける。

第１冷却回路４、５は第２冷却回路７に接続するのが望ましい。この第２冷却回路７を、以下、主冷却回路７と呼称するが、これは、例えば車両室内の冷暖房に用いられる。第１冷却回路４、５には、好ましくは三方弁のアクチュエータ６を、燃料電池ユニット１と熱交換器２との間に配置する。このアクチュエータ６によって、冷却液の流れが、一方では熱交換器２を経由して第２冷却回路４、５の方に送られるか、あるいは、直接主冷却回路７に送られる。

熱交換器２は、吸着アキュムレータとして設計される熱貯蔵器３に熱的に連結する。この場合、熱交換器２の最も長い側面を吸着アキュムレータ３の最も長い側面に連結することが望ましい。好ましくは三方弁のアクチュエータ１１を、燃料電池ユニット１の生成廃棄物を燃料電池ユニット１から排出するライン１０に装着する。このアクチュエータ１１によって、生成廃棄物を、バイパスラインとして構成することができるライン１２を経由して吸着アキュムレータ３に通すことができる。

燃料電池システムの起動又はコールドスタートの間は、冷却液は第１冷却回路４、５の熱交換器２を通って流れる。この場合、冷却液を主冷却回路７に流し込まないことが望ましい。これを、図１のライン７における対応する×記号で意図的に表現している。すなわち、主冷却回路７による温度制御は行わないことが望ましい。同時に、燃料電池の生成廃棄物つまり水蒸気は、ライン１０及び１２を経由して吸着アキュムレータ３に送られる。すなわち、生成廃棄物は、アクチュエータ１１の対応する位置によって、ライン１０からライン１２に送られる。これを、図１のアクチュエータ１１の下流側のライン１０における×記号で意図的に表現している。

水蒸気は、生成廃棄物又は廃空気と共に燃料電池ユニット１から吸着アキュムレータに送られる。この水蒸気は吸着アキュムレータ３に吸収結合され、熱エネルギが放出される。この熱エネルギは、熱交換器２を介して第１冷却回路４、５の冷却液に供給され、従って燃料電池ユニット１に供給される。これがコールドスタートを容易にする。余分の燃料電池生成廃棄物又は廃空気は、ライン１２及びアクチュエータ１３を経由して、吸着アキュムレータ３の下流側で大気に放出することが望ましい。アクチュエータ１３は好ましくは開放された弁である。

燃料電池生成廃棄物を熱交換器３に供給する代わりに、あるいはその供給に追加して、蒸発器を設けて水蒸気を発生させ、その水蒸気を熱交換器３で利用し得るようにすることも当然可能である。

図２は、吸着アキュムレータの吸着能回復運転中の図１の燃料電池システムを図式的に示している。燃料電池システムが問題なく起動され、第１冷却回路４、５の冷却液を加熱するために吸着アキュムレータ３がさらなる熱エネルギを必要とするという状況がなくなると、吸着アキュムレータ３に再び熱エネルギを供給する必要が生じてくる。これを実行するため、それまで運転中の燃料電池ユニット１によって加熱されていた冷却液を、そのままアクチュエータ６及びライン５を経由して熱交換器２に通す。冷却液を主冷却回路７に流し込まないことが望ましい。これを、ライン７における対応する×記号で意図的に示している。熱交換器２と吸着アキュムレータ３とが熱的に連結されているので、これによって、吸着アキュムレータ３の材料が加熱され、従って、熱エネルギによって吸着アキュムレータの吸着能が回復し、その材料に結合されていた水蒸気が放出されることになる。放出された水蒸気は、ライン１２及びアクチュエータ１３を経由して、吸着アキュムレータ３の下流側で大気中に放出することが望ましい。

熱によって吸着アキュムレータ３の吸着能を回復する運転期間中は、燃料電池の生成廃棄物をライン１２経由で送り込まないことが望ましい。これを、図２のライン１２における×記号で示している。

吸着アキュムレータ３の吸着能が十分に回復した後に、吸着アキュムレータ３の材料の結合水蒸気を放出するための熱エネルギが必要でなくなるか、あるいは燃料電池システム１を第１冷却回路４、５の冷却液によって加熱するために吸着アキュムレータ３に貯蔵された熱を用いる必要がなくなると、吸着アキュムレータ３への燃料電池生成排気ガスの供給、及び、吸着アキュムレータ３からの水蒸気の放出は行わないことが望ましい。この生成排気ガス供給の停止及び水蒸気放出の停止は、アクチュエータ１１の対応する位置によって吸着アキュムレータ３の上流側のライン１２への供給を止めること、及び、アクチュエータ１３の対応する位置によって吸着アキュムレータ３の下流側のライン１２からの放出を止めることによって行われる。この運転状態は、吸着アキュムレータ３の材料が大気中の水分を吸引することが全くできないという利点を有している。大気温度が氷点以下の場合の凍結も同様に安全化される。この場合、燃料電池生成排気ガスは、ライン１０を経由して放出することができる。この運転状態においては、吸着アキュムレータ３の役割が結合熱エネルギを貯蔵することにあるが、この運転状態では、運転中の燃料電池ユニット１によって加熱された冷却液を、アクチュエータ６の対応する位置によって主冷却回路７に送り込むことが望ましい。すなわち、このアクチュエータ６を、冷却液がライン５を経由して熱交換器２に送り込まれないように切り換えることが望ましい。例えば、主回路７によって乗員室内を暖房することができる。

本発明による燃料電池システムを、吸着アキュムレータの熱エネルギ放出運転又は起動運転において示す図式表現図である。 図１の燃料電池システムを、吸着アキュムレータの吸着能回復運転において示す図式表現図である。

Claims (3)

1. 電気エネルギを発生させる燃料電池ユニット（１）と、該燃料電池ユニット（１）に付属する熱放出用の吸着アキュムレータ（３）とを有する移動用途用の燃料電池システムであって、前記吸着アキュムレータ（３）が、前記燃料電池ユニット（１）の下流側において前記燃料電池ユニット付属の冷却回路（４、５）に配置されている熱交換器（２）に熱的に働くように接続される燃料電池システムにおいて、
   前記吸着アキュムレータ（３）がライン（１０、１２）を介して前記燃料電池ユニット（１）に接続されていること、及び、前記燃料電池システムの起動の間は、燃料電池の生成廃棄物を、このライン（１０、１２）経由で前記吸着アキュムレータ（３）に送り込むことができ、前記吸着アキュムレータの吸着能回復運転中は、前記燃料電池の生成廃棄物を、前記ライン（１０、１２）経由で前記吸着アキュムレータ（３）に送り込むことができないことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記吸着アキュムレータ（３）が、ゼオライト、シリカゲル及び／又は金属水素化物を含む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. 請求項１または２に記載の燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池システムの起動の間は、燃料電池ユニット（１）付属の冷却回路（４、５）内の冷却液を、吸着アキュムレータ（３）に貯蔵された熱によって熱交換器（２）を介して加熱し、その際、燃料電池の生成廃棄物を同時に前記吸着アキュムレータ（３）に供給し、かつ、
   前記吸着アキュムレータの吸着能回復運転中は、熱を、前記熱交換器（２）を介して前記吸着アキュムレータ（３）に供給する、
   ことを特徴とする方法。

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