JPH04209469A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上皇■且公団 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。

従来皇肢血 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り有し、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単離反応を生じさせ、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。

＜　”　　し　　゛　と　　　　量 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。

ｉ　　　″・　　るための 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、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を制御する制御手段と
、約−２０℃から常温程度の温度で水素を季離しうる水
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
、前記流量制御手段の制御により前記水素極に導入され
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、前記制御手段及びその他の
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−一一朋 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、制御手段が駆動
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が不要となる。

ＩＪＬｌＬ桝 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燃料ガス排出弁１ｏ、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Ｂ１８、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。

上記水素貯蔵袋Ｗ４は、約−２０℃から常温程度の温度
で水素を季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。

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。

先ず、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、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、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
閉していれば開ける）。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。

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の電源スィッチとして機能するサイリスタ
１１、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８
５０ｍＶ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。

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。

兜ユＡ二ＬＪＬ本Ｙ 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
置工２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Ｗ、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
合金が水素を単離しうる下限の一２０゛Ｃ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
単離することになる。この結果、水素軍離源を別途設け
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に水素単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−ｌ二ＬＪＪ！１ 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
と未反応空気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２８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。

男ユ（−実一施二医 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３５を冷却するために、冷媒通路３
６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Ｉ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ＯＮ１０
　Ｆ　Ｆ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４
１をＯＮＬ、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４ｏで加熱された後、熱交換器３９
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、上記起動待付近では、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、−
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。

玉ゴ■尖」Ｌ炭 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・４
８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、常温から一２０℃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Ｗ４６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ｉ４６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
空気の流路が異なる場合、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・４
６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。

光尻■四来 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
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、訃・・空気供給装置、訃・
・減圧弁、１２・・・システム制御装置。 特許出願人：三洋電機　株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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
   給手段を制御する制御手段と、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、前記流量制御手段の制御により前
   記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、前記制
   御手段及びその他の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。