JP2004039524A - 燃料電池発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池発電装置の低温時の始動性を向上させる。
【解決手段】大小異なる容量の複数の燃料電池10a、10bを備えた燃料電池発電装置において、前記大容量燃料電池10aから小容量燃料電池10bへと水素と空気が流れるようにこれら燃料電池10a、10bを直列に配置し、小容量燃料電池10bからの余剰の水素を燃焼させる燃焼器20と、起動時に小容量電池10bのみを発電させ、大容量燃料電池10aからの空気と小容量燃料電池10bからの余剰の水素を燃焼器20に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池10bの空気極側に導く。
【選択図】 図2
【解決手段】大小異なる容量の複数の燃料電池10a、10bを備えた燃料電池発電装置において、前記大容量燃料電池10aから小容量燃料電池10bへと水素と空気が流れるようにこれら燃料電池10a、10bを直列に配置し、小容量燃料電池10bからの余剰の水素を燃焼させる燃焼器20と、起動時に小容量電池10bのみを発電させ、大容量燃料電池10aからの空気と小容量燃料電池10bからの余剰の水素を燃焼器20に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池10bの空気極側に導く。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電装置の低温始動性、再起動性の向上に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムの低温始動性の向上に関しては、特開2000−173638号公報のようなシステムが開示されている。
【0003】
これは2つの燃料電池を持ち、低温時には片方の燃料電池を主に暖機させることに専念し、暖機後にもう片方の燃料電池を起動、暖機するシステムである。これにより、両方を同時に暖機するのに比べて、暖機時間を短縮することができる。
【0004】
またこの場合、燃料電池の発電部を複数に分割し、負荷側の要求電力に応じて、使用する発電部の数を最適に制御することも開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来システムでは、低温始動時において作動ガスの加湿方法が開示されておらず、低温始動時に良好な発電状態を実現することは困難である。
【0006】
また、直列に接続された複数の燃料電池を制御することは、高い電流値での配線接続切り替えが必要であり、電装系の大型化、高コスト化を招くという問題を生じる。
【0007】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、作動ガスを効率よく加湿することによって暖機時間を短縮し、低温始動性、再起動性を向上させることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、大小異なる容量の複数の燃料電池を備えた燃料電池発電装置において、前記大容量の燃料電池から小容量の燃料電池へと水素と空気が流れるようにこれら燃料電池を直列に配置し、小容量の燃料電池からの余剰の水素を燃焼させる燃焼器を設け、起動時に小容量電池のみを発電させ、大容量燃料電池からの空気と小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池の空気極側に導くように流路を切り換える制御手段を備えることを特徴とする。
【0009】
【作用・効果】
したがって本発明において、低温始動時に水素を燃焼させることで水分を含む燃焼ガスを小容量燃料電池に供給するので、小容量燃料電池の暖機運転が効率よく行われ、この結果システムの起動時間が短縮できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0011】
本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を図1に示す。
【0012】
本燃料電池システムはメイン燃料電池10a(以下メインFC)とサブ燃料電池10b(以下サブFC)の二つの燃料電池を有し、メインFC10aは車両の駆動モータ11の要求負荷電力の発電用、サブFC10bは補機駆動要求負荷電力(エアコンプレッサー、ウォータポンプ、車両電気部品)発電用となっている。
【0013】
この二つの燃料電池10a、10bの出力電圧は、メインFC10aがサブFC10bよりも大きくなっており、それぞれ負荷に応じてその起動・停止が制御される。
【0014】
メインFC10aとサブFC10bは、カソードに供給される酸素とアノードに供給される水素とにより電気化学反応を行い、発電作用を生じる。このため、メインFC10aの上流には、水素タンク30から供給された水素ガスとエアコンプレッサー40から供給された大気とを加湿する加湿器27を配置し、またメインFC10aとサブFC10bの間には燃焼器20と熱交換器21を配置する。
【0015】
燃焼器20は後述するように、低温時にサブFC10bから排出された余剰の水素ガスとメインFC10aから排出された酸素ガスを混合して燃焼し、熱交換器21は燃焼器20から排出される燃焼排ガスとメインFC10aからの水素ガス、並びに後述する加熱および冷却用の熱媒体(以下循環水)との間で熱交換を行う。
【0016】
メインFC10a並びにサブFC10bの冷却ないし加熱を行う循環水の循環系には、加湿器27に循環させる循環水を加熱する循環水加熱器50と、同じく前記循環水を冷却するラジエータなどの循環水冷却装置26とを循環水路中に並列に配置する。
【0017】
この循環系をさらに詳しく説明すると、まず循環水流路51はウォータポンプ23、サブFC10b、水流量調整バイパス弁24(以下調整バイパス弁24)、メインFC10a、加湿器27、水流量調整バイパス弁25(以下調整バイパス弁25)を直列に接続し、調整バイパス弁25の下流側には循環水加熱器50、熱交換器26を並列につないで、ウォータポンプ23に戻る。
【0018】
調整バイパス弁24から分岐する分岐経路52は燃焼器20、熱交換器21を経由して調整バイパス弁25の上流で、加湿器27からの配管に合流している。
【0019】
次に燃料の供給系を説明すると、水素供給配管53は水素タンク30から加湿器27を通って、メインFC10aに接続する。メインFC10aから出た水素を導く配管は流量調整弁31で分岐し、一方は加湿器27の上流に接続し、もう一方は熱交換器21を経由してサブFC10bに接続する。サブFC10bから出た水素を導く配管は流量調整弁32で分岐し、一方はサブFC10bの上流に接続し、もう一方は燃焼器20に接続する。
【0020】
また空気の供給系では、空気供給配管54は、コンプレッサー40から加湿器27を通ってメインFC10aに入る。メインFC10aから出た空気を導く配管は、流量調整弁41で燃焼器20に接続するものとサブFC10bに接続するものに分岐する。燃焼器20から出た配管は流量調整弁42から、熱交換器21に接続するものと排気口(図示せず)につながるものに分岐する。熱交換器21に接続する配管はサブFC10bを経由して、排気口につながる。
【0021】
本システムは以上のように構成され、図示しないが、コントローラによって各部の作動を自動的に制御するようになっている。ここで、まず上記システムの暖機後の通常運転時の制御を図4によって説明する。
【0022】
空気はエアコンプレッサー40によって加湿器27に供給し、加湿した空気をメインFC10aに供給する。水素ガスは、水素ガスタンク30から加湿器27に供給し、ここで加湿したものをメインFC10aに供給する。
【0023】
これらの供給により、メインFC10aが発電を行う。メインFC10aで発電に使用されなかった余剰の水素ガスは、流量調整弁31でメインFC10aを循環するものと熱交換器21へ供給するものに分岐する。
【0024】
熱交換器21を通過した水素ガスはサブFC10bの発電に使用され、サブFC10bで発電に使用されなかった余剰の水素ガスは、流量調整弁32によって、サブFC10bを循環する。
【0025】
メインFC10aで発電に使用しなかった余剰の空気は、流量調整弁41を閉じることにより燃焼器20に送らずに、メインFC10aから直接サブFC10bに供給する。これにより、サブFC10bに供給される空気は燃焼器20で加熱されないので、サブFC10bの過熱を防止することができる。サブFC10bで発電に使用されなかった余剰の空気はそのまま排ガスとして排気する。
【0026】
循環水はウォータポンプ23によってサブFC10b、メインFC10a、加湿器27を循環し、これらの冷却を行い、適正な運転温度の保持を行う。なお、循環水は熱交換器26で放熱した後に、ウォータポンプ23の吸い込み側へ流れる。
【0027】
以上により、通常運転時にはメインFC10aとサブFC10bとによる発電が行われるが、サブFC10bの発電に用いる空気を燃焼器20、熱交換器21で加熱しないので、サブFC10bの過熱を防げる。
【0028】
次に本発明の低温始動時の制御について図2、3に示す。
【0029】
燃料電池は、ある程度の温度まで暖まらないと通常の発電が行えないため、外気温、循環水温が低く、燃料電池も冷えた状態である低温始動時には、暖機を行う必要がある。
【0030】
本発明では、まず小型のサブFC10bを起動し、水循環系でメインFC10aを加熱、暖機させ、システム全体の起動時間を短縮させるようになっている。
【0031】
図2に低温始動時にサブFC10bを起動する場合のシステムの状態を示す。実線で示した配管が実際に空気、水素ガス、循環水の流れる配管である。
【0032】
この状態では加湿器27、メインFC10aは起動していないので、エアコンプレッサー40から送られる空気と水素ガスタンク30から送られる水素ガスは共に加湿器27、メインFC10aを通過するだけである。メインFC10aを通過した空気は、流量調整弁41によって全量が燃焼器20に送られ、温度が低い状態のまま、水素ガスと混合されて燃焼する。ここで使われる水素ガスはサブFC10bで発電に使用されなかった余剰の水素ガスが、流量調整弁32によって燃焼器20に送られたものである。
【0033】
メインFC10aを通過した水素ガスは熱交換器21へ送られ、燃焼器20の熱で加熱された循環水によって暖められて、サブFC10bに送られ、ここで前記燃焼器20を経由した空気と共に発電に使用される。
【0034】
循環水は本燃料電池システムが低温時にはシステムを加熱する役割を持つ。すなわち循環水加熱器50で暖められウォータポンプ23からサブFC10bに送られた循環水は流量調整弁24によって全量が燃焼器20に送られる。
【0035】
燃焼器20で加熱された循環水は熱交換器21に送られ、水素供給配管を流れる水素ガスをサブFC10bの要求温度まで加熱する。また一方で、熱交換器21では、循環水によって燃焼器20から出された高温空気の冷却も行う。
【0036】
燃焼器20で水素と混合して燃焼した空気中には燃焼に伴って発生した水分が含まれ、この水分を含んだ空気が熱交換器21で冷却後にサブFC10bに送り込まれる。このため、サブFC10bでは熱交換器21からの水素と加湿空気が反応して発電を行う。なお、燃焼器20では酸素過剰状態で燃焼させるので、排ガス中にはサブFC10bの発電に必要な量の余剰の酸素が含まれている。
【0037】
熱交換器21を出た循環水は流量調整弁25によって全量が循環水加熱器50に送られ、再びウォータポンプ23に戻る。前記循環水加熱器(電気ヒータを含む)50は、サブFC10bで発電された電力を使用して作動する。
【0038】
このようにして、低温時の始動において、空気は燃焼器20で水素を燃焼することによって発生した水分で加湿された後、熱交換器21によって適温にされてサブFC10bに供給され、また水素ガスは熱交換器21で加熱されサブFC10bに供給され、これらにより低温時におけるサブFC10bの暖機運転が効率よく行われ、その起動時間が短縮できる。
【0039】
図3に、サブFC10bの暖機が終了した後、メインFC10aを起動する時の制御を示す。
【0040】
空気、水素ガスに関してはサブFC10b起動時の状態のままであるが、循環水は調整バイパス弁24の制御により、メインFC10a、加湿器27にも流れるようにする。
【0041】
メインFC10aは、暖められた循環水による加熱により、暖機運転を開始すると同時に、発電も開始する。
【0042】
すなわち、水素ガスタンク30からの水素ガスとエアコンプレッサー40からの空気中の酸素とが加湿器27において加湿され、これらがメインFC10aで反応して発電が行われるのである。なお、余剰の水素は熱交換器21を経由してサブFC10bに供給され、また排空気も燃焼器20から熱交換器21を経てサブFC10bに供給されサブFC10bの運転を継続する。
【0043】
このようにサブFC10bの暖機が終了した後は、サブFC10bを通過して暖められた循環水をメインFC10aに流し、メインFC10aの加熱に用いる。 これによりメインFC10aの暖機時間も短縮でき、システム全体の起動時間が短縮されることになる。
【0044】
以上のことより、本実施形態は以下の効果を有する。
▲1▼低温始動時のサブFC10bの発電に用いる水素と空気を、燃焼器20、熱交換器21を用いることによって効率的に加湿、加熱することができ、サブFC
10bの暖機運転が効率的に行われる。
▲2▼先に始動させるサブFC10bの容量は小さいので、暖機時間が短い。
▲3▼サブFC10bの暖機運転終了後、サブFC10bを通過して暖められた循環水によってメインFC10aが加熱されるので、メインFC10aの暖機運転
時間が短縮できる。
▲4▼メインFC10a、サブFC10bともに効率的な暖機運転が行えるので、シ
ステム全体の起動時間を短縮できる。
【0045】
次に図5によって本システムのアイドル時の運転状態を説明する。
【0046】
アイドル時とは、車両の駆動力としての電力を必要としない状態、即ち、車両が停止している状態、下り坂を走行している状態、車両駆動用バッテリーの残量が十分にある状態などである。アイドル時には駆動モータからメインFC10aに要求される電力はゼロであるため、メインFC10aの発電は停止する。また、流量調整弁31はメインFC10aから出た水素ガスをサブFC10bに流し、調整バイパス弁41により燃焼器20、熱交換器21を通過させずにサブFC10bに直接空気を流すように制御する。
【0047】
本システムでは、サブFC10bの発電に使用する空気、水素ガスはメインFC10aを通過してサブFC10bに供給する構造になっているため、アイドル状態が解除され、メインFC10aが再起動する際には、メインFC10a内に空気と水素ガスが充満している。したがって、メインFC10aは短時間で発電を再開できる。また、メインFC10aが停止して発熱していない時でも、循環水はメインFC10aとサブFC10bを直列に循環するように調整バイパス弁24を制御するので、サブFC10bの発熱によって暖められた循環水でメインFC10aを保温することになる。これにより、メインFC10aが長時間アイドル状態となっていても、短時間でメインFC10aの再発電が可能である。
【0048】
以上のように、本システムではアイドル時もメインFC10a内に水素、空気が充満しているので、アイドル状態が解除された時に短時間でメインFC10aを再起動できる。
【0049】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のシステム構成図。
【図2】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のサブFC起動時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図3】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のメインFC起動時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図4】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置の、通常運転時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図5】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置の、アイドル運転時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【符号の説明】
10a メインFC(第一の燃料電池)
10b サブFC(第二の燃料電池)
11 駆動モータ
12 車両補機
20 燃焼器
21 熱交換器
23 ウォーターポンプ
26 熱交換器
27 加湿器
30 水素ガスタンク
40 エアコンプレッサー
50 循環水加熱器
24、25 水流量調整弁
31,32 水素ガス流量調整弁
41,42 空気流量調整弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電装置の低温始動性、再起動性の向上に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池システムの低温始動性の向上に関しては、特開2000−173638号公報のようなシステムが開示されている。
【0003】
これは2つの燃料電池を持ち、低温時には片方の燃料電池を主に暖機させることに専念し、暖機後にもう片方の燃料電池を起動、暖機するシステムである。これにより、両方を同時に暖機するのに比べて、暖機時間を短縮することができる。
【0004】
またこの場合、燃料電池の発電部を複数に分割し、負荷側の要求電力に応じて、使用する発電部の数を最適に制御することも開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来システムでは、低温始動時において作動ガスの加湿方法が開示されておらず、低温始動時に良好な発電状態を実現することは困難である。
【0006】
また、直列に接続された複数の燃料電池を制御することは、高い電流値での配線接続切り替えが必要であり、電装系の大型化、高コスト化を招くという問題を生じる。
【0007】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、作動ガスを効率よく加湿することによって暖機時間を短縮し、低温始動性、再起動性を向上させることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、大小異なる容量の複数の燃料電池を備えた燃料電池発電装置において、前記大容量の燃料電池から小容量の燃料電池へと水素と空気が流れるようにこれら燃料電池を直列に配置し、小容量の燃料電池からの余剰の水素を燃焼させる燃焼器を設け、起動時に小容量電池のみを発電させ、大容量燃料電池からの空気と小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池の空気極側に導くように流路を切り換える制御手段を備えることを特徴とする。
【0009】
【作用・効果】
したがって本発明において、低温始動時に水素を燃焼させることで水分を含む燃焼ガスを小容量燃料電池に供給するので、小容量燃料電池の暖機運転が効率よく行われ、この結果システムの起動時間が短縮できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0011】
本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を図1に示す。
【0012】
本燃料電池システムはメイン燃料電池10a(以下メインFC)とサブ燃料電池10b(以下サブFC)の二つの燃料電池を有し、メインFC10aは車両の駆動モータ11の要求負荷電力の発電用、サブFC10bは補機駆動要求負荷電力(エアコンプレッサー、ウォータポンプ、車両電気部品)発電用となっている。
【0013】
この二つの燃料電池10a、10bの出力電圧は、メインFC10aがサブFC10bよりも大きくなっており、それぞれ負荷に応じてその起動・停止が制御される。
【0014】
メインFC10aとサブFC10bは、カソードに供給される酸素とアノードに供給される水素とにより電気化学反応を行い、発電作用を生じる。このため、メインFC10aの上流には、水素タンク30から供給された水素ガスとエアコンプレッサー40から供給された大気とを加湿する加湿器27を配置し、またメインFC10aとサブFC10bの間には燃焼器20と熱交換器21を配置する。
【0015】
燃焼器20は後述するように、低温時にサブFC10bから排出された余剰の水素ガスとメインFC10aから排出された酸素ガスを混合して燃焼し、熱交換器21は燃焼器20から排出される燃焼排ガスとメインFC10aからの水素ガス、並びに後述する加熱および冷却用の熱媒体(以下循環水)との間で熱交換を行う。
【0016】
メインFC10a並びにサブFC10bの冷却ないし加熱を行う循環水の循環系には、加湿器27に循環させる循環水を加熱する循環水加熱器50と、同じく前記循環水を冷却するラジエータなどの循環水冷却装置26とを循環水路中に並列に配置する。
【0017】
この循環系をさらに詳しく説明すると、まず循環水流路51はウォータポンプ23、サブFC10b、水流量調整バイパス弁24(以下調整バイパス弁24)、メインFC10a、加湿器27、水流量調整バイパス弁25(以下調整バイパス弁25)を直列に接続し、調整バイパス弁25の下流側には循環水加熱器50、熱交換器26を並列につないで、ウォータポンプ23に戻る。
【0018】
調整バイパス弁24から分岐する分岐経路52は燃焼器20、熱交換器21を経由して調整バイパス弁25の上流で、加湿器27からの配管に合流している。
【0019】
次に燃料の供給系を説明すると、水素供給配管53は水素タンク30から加湿器27を通って、メインFC10aに接続する。メインFC10aから出た水素を導く配管は流量調整弁31で分岐し、一方は加湿器27の上流に接続し、もう一方は熱交換器21を経由してサブFC10bに接続する。サブFC10bから出た水素を導く配管は流量調整弁32で分岐し、一方はサブFC10bの上流に接続し、もう一方は燃焼器20に接続する。
【0020】
また空気の供給系では、空気供給配管54は、コンプレッサー40から加湿器27を通ってメインFC10aに入る。メインFC10aから出た空気を導く配管は、流量調整弁41で燃焼器20に接続するものとサブFC10bに接続するものに分岐する。燃焼器20から出た配管は流量調整弁42から、熱交換器21に接続するものと排気口(図示せず)につながるものに分岐する。熱交換器21に接続する配管はサブFC10bを経由して、排気口につながる。
【0021】
本システムは以上のように構成され、図示しないが、コントローラによって各部の作動を自動的に制御するようになっている。ここで、まず上記システムの暖機後の通常運転時の制御を図4によって説明する。
【0022】
空気はエアコンプレッサー40によって加湿器27に供給し、加湿した空気をメインFC10aに供給する。水素ガスは、水素ガスタンク30から加湿器27に供給し、ここで加湿したものをメインFC10aに供給する。
【0023】
これらの供給により、メインFC10aが発電を行う。メインFC10aで発電に使用されなかった余剰の水素ガスは、流量調整弁31でメインFC10aを循環するものと熱交換器21へ供給するものに分岐する。
【0024】
熱交換器21を通過した水素ガスはサブFC10bの発電に使用され、サブFC10bで発電に使用されなかった余剰の水素ガスは、流量調整弁32によって、サブFC10bを循環する。
【0025】
メインFC10aで発電に使用しなかった余剰の空気は、流量調整弁41を閉じることにより燃焼器20に送らずに、メインFC10aから直接サブFC10bに供給する。これにより、サブFC10bに供給される空気は燃焼器20で加熱されないので、サブFC10bの過熱を防止することができる。サブFC10bで発電に使用されなかった余剰の空気はそのまま排ガスとして排気する。
【0026】
循環水はウォータポンプ23によってサブFC10b、メインFC10a、加湿器27を循環し、これらの冷却を行い、適正な運転温度の保持を行う。なお、循環水は熱交換器26で放熱した後に、ウォータポンプ23の吸い込み側へ流れる。
【0027】
以上により、通常運転時にはメインFC10aとサブFC10bとによる発電が行われるが、サブFC10bの発電に用いる空気を燃焼器20、熱交換器21で加熱しないので、サブFC10bの過熱を防げる。
【0028】
次に本発明の低温始動時の制御について図2、3に示す。
【0029】
燃料電池は、ある程度の温度まで暖まらないと通常の発電が行えないため、外気温、循環水温が低く、燃料電池も冷えた状態である低温始動時には、暖機を行う必要がある。
【0030】
本発明では、まず小型のサブFC10bを起動し、水循環系でメインFC10aを加熱、暖機させ、システム全体の起動時間を短縮させるようになっている。
【0031】
図2に低温始動時にサブFC10bを起動する場合のシステムの状態を示す。実線で示した配管が実際に空気、水素ガス、循環水の流れる配管である。
【0032】
この状態では加湿器27、メインFC10aは起動していないので、エアコンプレッサー40から送られる空気と水素ガスタンク30から送られる水素ガスは共に加湿器27、メインFC10aを通過するだけである。メインFC10aを通過した空気は、流量調整弁41によって全量が燃焼器20に送られ、温度が低い状態のまま、水素ガスと混合されて燃焼する。ここで使われる水素ガスはサブFC10bで発電に使用されなかった余剰の水素ガスが、流量調整弁32によって燃焼器20に送られたものである。
【0033】
メインFC10aを通過した水素ガスは熱交換器21へ送られ、燃焼器20の熱で加熱された循環水によって暖められて、サブFC10bに送られ、ここで前記燃焼器20を経由した空気と共に発電に使用される。
【0034】
循環水は本燃料電池システムが低温時にはシステムを加熱する役割を持つ。すなわち循環水加熱器50で暖められウォータポンプ23からサブFC10bに送られた循環水は流量調整弁24によって全量が燃焼器20に送られる。
【0035】
燃焼器20で加熱された循環水は熱交換器21に送られ、水素供給配管を流れる水素ガスをサブFC10bの要求温度まで加熱する。また一方で、熱交換器21では、循環水によって燃焼器20から出された高温空気の冷却も行う。
【0036】
燃焼器20で水素と混合して燃焼した空気中には燃焼に伴って発生した水分が含まれ、この水分を含んだ空気が熱交換器21で冷却後にサブFC10bに送り込まれる。このため、サブFC10bでは熱交換器21からの水素と加湿空気が反応して発電を行う。なお、燃焼器20では酸素過剰状態で燃焼させるので、排ガス中にはサブFC10bの発電に必要な量の余剰の酸素が含まれている。
【0037】
熱交換器21を出た循環水は流量調整弁25によって全量が循環水加熱器50に送られ、再びウォータポンプ23に戻る。前記循環水加熱器(電気ヒータを含む)50は、サブFC10bで発電された電力を使用して作動する。
【0038】
このようにして、低温時の始動において、空気は燃焼器20で水素を燃焼することによって発生した水分で加湿された後、熱交換器21によって適温にされてサブFC10bに供給され、また水素ガスは熱交換器21で加熱されサブFC10bに供給され、これらにより低温時におけるサブFC10bの暖機運転が効率よく行われ、その起動時間が短縮できる。
【0039】
図3に、サブFC10bの暖機が終了した後、メインFC10aを起動する時の制御を示す。
【0040】
空気、水素ガスに関してはサブFC10b起動時の状態のままであるが、循環水は調整バイパス弁24の制御により、メインFC10a、加湿器27にも流れるようにする。
【0041】
メインFC10aは、暖められた循環水による加熱により、暖機運転を開始すると同時に、発電も開始する。
【0042】
すなわち、水素ガスタンク30からの水素ガスとエアコンプレッサー40からの空気中の酸素とが加湿器27において加湿され、これらがメインFC10aで反応して発電が行われるのである。なお、余剰の水素は熱交換器21を経由してサブFC10bに供給され、また排空気も燃焼器20から熱交換器21を経てサブFC10bに供給されサブFC10bの運転を継続する。
【0043】
このようにサブFC10bの暖機が終了した後は、サブFC10bを通過して暖められた循環水をメインFC10aに流し、メインFC10aの加熱に用いる。 これによりメインFC10aの暖機時間も短縮でき、システム全体の起動時間が短縮されることになる。
【0044】
以上のことより、本実施形態は以下の効果を有する。
▲1▼低温始動時のサブFC10bの発電に用いる水素と空気を、燃焼器20、熱交換器21を用いることによって効率的に加湿、加熱することができ、サブFC
10bの暖機運転が効率的に行われる。
▲2▼先に始動させるサブFC10bの容量は小さいので、暖機時間が短い。
▲3▼サブFC10bの暖機運転終了後、サブFC10bを通過して暖められた循環水によってメインFC10aが加熱されるので、メインFC10aの暖機運転
時間が短縮できる。
▲4▼メインFC10a、サブFC10bともに効率的な暖機運転が行えるので、シ
ステム全体の起動時間を短縮できる。
【0045】
次に図5によって本システムのアイドル時の運転状態を説明する。
【0046】
アイドル時とは、車両の駆動力としての電力を必要としない状態、即ち、車両が停止している状態、下り坂を走行している状態、車両駆動用バッテリーの残量が十分にある状態などである。アイドル時には駆動モータからメインFC10aに要求される電力はゼロであるため、メインFC10aの発電は停止する。また、流量調整弁31はメインFC10aから出た水素ガスをサブFC10bに流し、調整バイパス弁41により燃焼器20、熱交換器21を通過させずにサブFC10bに直接空気を流すように制御する。
【0047】
本システムでは、サブFC10bの発電に使用する空気、水素ガスはメインFC10aを通過してサブFC10bに供給する構造になっているため、アイドル状態が解除され、メインFC10aが再起動する際には、メインFC10a内に空気と水素ガスが充満している。したがって、メインFC10aは短時間で発電を再開できる。また、メインFC10aが停止して発熱していない時でも、循環水はメインFC10aとサブFC10bを直列に循環するように調整バイパス弁24を制御するので、サブFC10bの発熱によって暖められた循環水でメインFC10aを保温することになる。これにより、メインFC10aが長時間アイドル状態となっていても、短時間でメインFC10aの再発電が可能である。
【0048】
以上のように、本システムではアイドル時もメインFC10a内に水素、空気が充満しているので、アイドル状態が解除された時に短時間でメインFC10aを再起動できる。
【0049】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のシステム構成図。
【図2】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のサブFC起動時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図3】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置のメインFC起動時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図4】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置の、通常運転時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【図5】本発明の一実施形態である燃料電池発電装置の、アイドル運転時の作動ガス、循環水の流れの状態を示す構成図。
【符号の説明】
10a メインFC(第一の燃料電池)
10b サブFC(第二の燃料電池)
11 駆動モータ
12 車両補機
20 燃焼器
21 熱交換器
23 ウォーターポンプ
26 熱交換器
27 加湿器
30 水素ガスタンク
40 エアコンプレッサー
50 循環水加熱器
24、25 水流量調整弁
31,32 水素ガス流量調整弁
41,42 空気流量調整弁
Claims (7)
- 大小異なる容量の複数の燃料電池を備えた燃料電池発電装置において、
前記大容量燃料電池から小容量燃料電池へと水素と空気が流れるようにこれら燃料電池を直列に配置し、
小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼させる燃焼器を設け、
起動時に小容量燃料電池のみを発電させ、大容量燃料電池からの空気と小容量燃料電池からの余剰の水素を燃焼器に供給して燃焼させ、この燃焼ガスを小容量燃料電池の空気極側に導くように流路を切り換える制御手段を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。 - 前記小容量燃料電池と大容量燃料電池との冷却ないし加熱を行う熱媒体の循環系を設け、前記燃焼器からの燃焼ガスで前記熱媒体を加熱する熱交換器を備え、前記制御手段は、起動時に加熱された熱媒体を小容量燃料電池に循環させて暖機をおこなうようにする請求項1に記載の燃料電池発電装置。
- 前記循環系には電力により熱媒体を加熱する加熱器を備え、前記制御手段は、この加熱器に小容量燃料電池の発電により生じた電力を供給するように制御する請求項2に記載の燃料電池発電装置。
- 前記熱交換器は、前記大容量燃料電池から小容量燃料電池へ送られる水素をも加熱するように構成されている請求項2に記載の燃料電池発電装置。
- 前記制御手段は、前記小容量燃料電池の暖機が終了したら、前記熱媒体を小容量電池から大容量燃料電池へと循環させ、大容量燃料電池の発電を開始するようにする請求項2〜4のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。
- 前記制御手段は、起動終了後は大容量燃料電池からの空気を前記燃焼器を迂回して直接小容量燃料電池に送り込むようにする請求項1〜5のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。
- 前記大容量燃料電池は車両駆動モータの要求負荷に、小容量燃料電池は車両補記の要求負荷にそれぞれ対応して容量を設定する請求項1〜6のいずれか一つに記載の燃料電池発電装置。
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-
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- 2002-07-05 JP JP2002197114A patent/JP2004039524A/ja active Pending
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