JP2006164670A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタック内において冷却水の凍結を防止するにあたり、冷却水を無駄に消費することがない燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１０は、冷却水によって冷却される燃料電池スタック２０と、燃料電池スタックから冷却水を回収する排水処理、および回収した冷却水を燃料電池スタックに戻す給水処理を選択的に実施する給排水手段３０と、給排水手段による排水処理または給水処理の実施を制御するためのコントローラ５０（制御手段）と、を有する。コントローラは、燃料電池の停止時には給排水手段に排水処理を実施させ、燃料電池の始動時には給排水手段に給水処理を実施させる。燃料電池システムはさらに、燃料電池スタックにおける冷却水が流れる流路を乾燥させる流路乾燥手段４０を有する。コントローラは、燃料電池の停止時に給排水手段に排水処理を実施させた後に、流路乾燥手段を作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、複数個の燃料電池セルを積層した積層体を締め付けて構成されている。燃料電池セルは、例えば、触媒反応層を有する一対の電極により高分子電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガスを供給する導電性セパレータを配置し、他方の電極側には酸化剤ガスを供給する導電性セパレータを配置して構成されている。燃料電池スタックは発電の際に発熱することから、一般的に、燃料電池スタックに冷却水を供給し、当該燃料電池スタックを冷却して適正な運転温度に維持している。

ところで、燃料電池の停止時においては、燃料電池スタック内において冷却水の凍結を防止し、電池としての性能の低下を防止する必要がある。

特許文献１には、燃料電池スタックにおける冷却水が流れる流路を、真空ポンプによって減圧して乾燥させる技術が提案されている。
特開２００１−１８５１７９号公報

特許文献１に記載された技術にあっては、燃料電池スタックから冷却水を回収する点については何ら考慮されておらず、冷却水に使用される例えば純水を無駄に消費する懸念がある。

本発明の目的は、燃料電池スタック内において冷却水の凍結を防止するにあたり、冷却水を無駄に消費することがない燃料電池システムを提供することにある。

上記目的は下記の手段により達成される。

冷却水によって冷却される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックから冷却水を回収する排水処理、および回収した冷却水を前記燃料電池スタックに戻す給水処理を選択的に実施する給排水手段と、
前記給排水手段による前記排水処理または前記給水処理の実施を制御するための制御手段と、を有し、
前記制御手段は、燃料電池の停止時には前記給排水手段に前記排水処理を実施させ、燃料電池の始動時には前記給排水手段に前記給水処理を実施させてなる燃料電池システムである。

本発明によれば、燃料電池停止時には、燃料電池スタックから冷却水を回収しているため、外気が低温となっても、燃料電池スタック内において冷却水が凍結することを防止することができる。さらに、燃料電池スタック内において冷却水の凍結を防止するにあたり、燃料電池スタックから冷却水を回収する排水処理を行っているため、冷却水を無駄に消費することがない。また、燃料電池始動時には、回収した冷却水を燃料電池スタックに戻す給水処理を行っているため、冷却水を必要部位に迅速に供給し、燃料電池の始動時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０を示す構成図、図２は、図１に示されるタンク３１を示す断面図である。

図１を参照して、燃料電池システム１０は、概説すれば、冷却水としての純水によって冷却される燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０から冷却水を回収する排水処理および回収した冷却水を燃料電池スタック２０に戻す給水処理を選択的に実施する給排水手段３０と、給排水手段３０による排水処理または給水処理の実施を制御するためのコントローラ５０（制御手段に相当する）と、を有している。コントローラ５０は、燃料電池の停止時には給排水手段３０に排水処理を実施させ、燃料電池の始動時には給排水手段３０に給水処理を実施させる。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０における冷却水が流れる流路を乾燥させる流路乾燥手段４０をさらに有し、コントローラ５０は、燃料電池の停止時に給排水手段３０に排水処理を実施させた後に、流路乾燥手段４０を作動させている。本実施形態の燃料電池システム１０はさらに、燃料電池スタック２０および流路乾燥手段４０に設けた電気ヒータ４２の両者に電気的に接続される２次電池５１をさらに有し、コントローラ５０は、２次電池５１の充放電を制御し、燃料電池が稼動しているときに発電量の一部を２次電池５１に充電させ、電気ヒータ４２を作動させるときに２次電池５１から電気ヒータ４２に放電させている。以下、詳述する。

図１を参照して、燃料電池システム１０は、例えば電気自動車の動力源となる燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０に冷却水を循環させて当該燃料電池スタック２０を冷却する冷却水循環系１１と、を備える。図示省略するが、燃料電池システム１０には、燃料電池スタック２０に燃料である水素を供給するための燃料供給系、空気を供給するための空気供給系、燃料電池スタック２０の電解質を加湿するための加湿機構などの公知の要素が設けられている。

燃料電池スタック２０は、複数個の燃料電池セルを積層した積層体を締め付けて構成されている。燃料電池セルは、触媒反応層を有する一対の電極により電解質膜を挟み込み、さらに、一方の電極側には燃料ガス（水素）を供給する導電性セパレータを配置し、他方の電極側には酸化剤ガス（空気）を供給する導電性セパレータを配置して構成されている。燃料極では、水素が水素イオンと電子に解離する。水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と水素イオンおよび電子が反応して水が生成し、外部に排出される。燃料電池スタック２０の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化などを考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜などイオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによってイオン伝導性電解質として機能する。

冷却水循環系１１は、燃料電池スタック２０に冷却水を循環させるための管路を備え、管路の途上には、冷却水を貯水する冷却水タンク１２と、冷却水ポンプ１３と、熱交換器１４とが設けられている。冷却水ポンプ１３によって冷却水タンク１２内の冷却水を循環させて燃料電池スタック２０に供給することにより、燃料電池スタック２０を冷却水によって冷却し、当該燃料電池スタック２０を最適な温度に維持する。燃料電池スタック２０を冷却することにより加熱された冷却水は、熱交換器１４において外気と熱交換されて冷却される。図中符号１５、１６は、燃料電池スタック２０における冷却水が流れる流路を仕切るためのバルブを示している。

前記給排水手段３０は、冷却水を貯留するタンク３１と、冷却水を送液する送液手段３２と、を含んでいる。送液手段３２は、燃料電池スタック２０からタンク３１に向かう正方向（図１に実線矢印で示される方向）およびタンク３１から燃料電池スタック２０に向かう逆方向（図１に破線矢印で示される方向）の両方向に送液自在に構成されている。コントローラ５０は、燃料電池の停止時には燃料電池スタック２０からタンク３１に冷却水を回収するように送液手段３２を作動させ、燃料電池の始動時にはタンク３１から燃料電池スタック２０に冷却水を戻すように送液手段３２を作動させる。

タンク３１は、例えばステンレスからなる真空２重槽に形成され、外気に対して断熱されている（図２参照）。タンク３１を外気に対して断熱することによって、外気温度に拘わらずタンク３１内の冷却水の温度をほぼ一定に保持できる。タンク３１内の冷却水が凍結することがなく、燃料電池の再始動時に、回収した冷却水を燃料電池スタック２０に戻す給水処理を迅速に行うことができる。

さらに、タンク３１は、イオン除去フィルタ３３を備えている（図２参照）。稼動時に冷却水中に取り込まれる各種のイオンを給排水の際に除去でき、燃料電池の再始動時に清浄な純水を冷却水として燃料電池スタック２０に戻すことができる。これにより、固体高分子電解質の劣化を抑制して、燃料電池スタック２０の寿命を延ばすことができる。

前記流路乾燥手段４０は、燃料電池スタック２０の流路に空気を供給する空気供給手段４１と、供給する空気を加熱する電気ヒータ４２と、を含んでいる。コントローラ５０は、燃料電池の停止時に給排水手段３０に排水処理を実施させた後に、空気供給手段４１および電気ヒータ４２を作動させる。

図示する実施形態では、送液手段３２を液およびガスを送出可能なポンプ３４から構成し、当該ポンプ３４を空気供給手段４１として兼用している。

燃料電池スタック２０における冷却水が流れる流路に連通する配管６０に、モータにより正逆両方向に回転駆動される前記ポンプ３４が配置されている。排水処理時における冷却水の流れ方向（図１に実線矢印で示される）を基準にして、ポンプ３４の上流側に電気ヒータ４２が配置され、ポンプ３４の下流側に切り替えバルブ６１が配置されている。この切り替えバルブ６１は、配管６０と給排水手段３０のタンク３１とを連通する第１位置と、配管６０と空気取込口４３とを連通する第２位置と、タンク３１および空気取込口４３のいずれも配管６０に連通しない第３位置（待機位置）とに選択的に作動する。切り替えバルブ６１の作動もコントローラ５０によって制御される。空気取込口４３には、燃料電池スタック２０内に塵埃が混入することを防止するために、フィルタ４４が取り付けられている。

前記２次電池５１は、充電可能であればその型式は限定されないが、例えば、電気自動車などにおいて使用されているリチウムイオン２次電池を用いることができる。

前記コントローラ５０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成され、２次電池５１に接続された充放電回路５２の作動を制御し、燃料電池が稼動しているときには、発電量の一部を２次電池５１に充電させる回路に切り替える。一方、コントローラ５０は、電気ヒータ４２を作動させるときには、２次電池５１から電気ヒータ４２に放電させる回路に切り替える。２次電池５１から電気ヒータ４２への放電は、予め設定された時間行われる。あるいは、燃料電池スタック２０や供給する空気の温度を検出するセンサを設け、それらの温度が設定温度に昇温するまで、電気ヒータ４２への放電を継続してもよい。

上記のように２次電池５１を備えることにより、燃料電池システム１０とは別系統に設けた電源から電力を供給する必要がなく、燃料電池システム１０自体の制御を簡単に行うことができ、燃料電池スタック２０の再始動を素早くできるという利点がある。

次に、本実施形態の作用を説明する。

燃料電池が稼動しているときには、コントローラ５０は、充放電回路５２の作動を制御し、発電量の一部を２次電池５１に充電させる回路に切り替える。２次電池５１の充電が完了すると、コントローラ５０は、２次電池５１への充電を停止する。燃料電池稼動時には、切り替えバルブ６１は、待機位置である第３位置に作動され、タンク３１および空気取込口４３のいずれも配管６０に連通していない。

燃料電池の停止時には、コントローラ５０は、まず、冷却水循環系１１による冷却水の循環を停止し、バルブ１５、１６を閉じ、燃料電池スタック２０における冷却水が流れる流路を仕切る。コントローラ５０は、切り替えバルブ６１の作動を制御し、切り替えバルブ６１を、配管６０と給排水手段３０のタンク３１とを連通する第１位置に切り替える。

次いで、コントローラ５０は、ポンプ３４を正回転させ、排水処理すなわち燃料電池スタック２０からタンク３１に冷却水を回収する（図１実線矢印を参照）。このとき、回収される冷却水がイオン除去フィルタ３３を通過することによって、稼動時に冷却水中に取り込まれた各種のイオンが除去され、清浄な純水となってタンク３１に貯溜される。

コントローラ５０は、ポンプ３４を所定時間作動させて排水処理が終了すると、ポンプ３４を一時停止し、切り替えバルブ６１の作動を制御し、切り替えバルブ６１を、配管６０と空気取込口４３とを連通する第２位置に切り替える。コントローラ５０はさらに、充放電回路５２の作動を制御し、２次電池５１から電気ヒータ４２に放電させる回路に切り替える。電気ヒータ４２は、通電されてジュール熱を生じる。そして、コントローラ５０は、ポンプ３４を逆回転させ、空気取込口４３から空気を取り込みながら、燃料電池スタック２０の流路に空気を供給する。このとき、供給される空気は、電気ヒータ４２のジュール熱によって加熱される。加熱された空気を供給することによって、排水処理後に燃料電池スタック２０の流路に残存する水分が蒸発し、前記流路が乾燥する。

コントローラ５０は、ポンプ３４を所定時間作動させて流路の乾燥が終了すると、切り替えバルブ６１を第３位置に切り替える。

この後、燃料電池を再始動するときには、コントローラ５０は、まず、切り替えバルブ６１を、配管６０と給排水手段３０のタンク３１とを連通する第１位置に切り替える。次いで、コントローラ５０は、ポンプ３４を逆回転させ、給水処理すなわちタンク３１に回収した冷却水を燃料電池スタック２０に戻す（図１破線矢印を参照）。このとき、戻される冷却水がイオン除去フィルタ３３を通過することによって、清浄な純水が燃料電池スタック２０に戻される。

コントローラ５０は、ポンプ３４を所定時間作動させて給水処理が終了すると、ポンプ３４を停止し、切り替えバルブ６１を第３位置に切り替える。その後、バルブ１５、１６を開き、冷却水循環系１１による冷却水の循環を再開し、通常運転に移行する。

本実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池停止時には、燃料電池スタック２０から冷却水を回収し、さらに、燃料電池スタック２０の流路を乾燥させているため、外気が低温となっても、燃料電池スタック２０内において冷却水が凍結することを確実に防止することができる。さらに、燃料電池スタック２０内において冷却水の凍結を防止するにあたり、燃料電池スタック２０から冷却水をタンク３１に回収する排水処理を行っているため、冷却水を無駄に消費することがない。燃料電池始動時には、回収した冷却水を燃料電池スタック２０に戻す給水処理を行っているため、冷却水を必要部位に迅速に供給し、燃料電池の始動時間を短縮することができる。

（変形例）
ポンプ３４が送液手段３２および空気供給手段４１を兼用する形態を示したが、液用ポンプなどからなる送液手段３２と、ガス用ポンプあるいはブロワなどからなる空気供給手段４１とを別個独立に設けてもよいことはいうまでもない。

冷却水循環系１１とは別個に給排水手段３０を設けた形態を示したが、冷却水循環系１１に本発明における給排水手段３０を組み込んでもよい。この場合には、冷却水循環系１１における冷却水タンク１２を、給排水手段３０におけるタンク３１として機能させることができる。

タンク３１を真空２重槽に形成することによって外気に対して断熱する形態を示したが、タンクを断熱材によって囲繞する形態でもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 図１に示されるタンクを示す断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、
１１ 冷却水循環系、
２０ 燃料電池スタック、
３０ 給排水手段、
３１ タンク、
３２ 送液手段、
３３ イオン除去フィルタ、
３４ ポンプ（送液手段、空気供給手段）、
４０ 流路乾燥手段、
４１ 空気供給手段、
４２ 電気ヒータ、
４３ 空気取込口、
５０ コントローラ（制御手段）、
５１ ２次電池、
６０ 配管、
６１ 切り替えバルブ。

Claims (8)

1. 冷却水によって冷却される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから冷却水を回収する排水処理、および回収した冷却水を前記燃料電池スタックに戻す給水処理を選択的に実施する給排水手段と、
   前記給排水手段による前記排水処理または前記給水処理の実施を制御するための制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、燃料電池の停止時には前記給排水手段に前記排水処理を実施させ、燃料電池の始動時には前記給排水手段に前記給水処理を実施させてなる燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックにおける冷却水が流れる流路を乾燥させる流路乾燥手段をさらに有し、
   前記制御手段は、燃料電池の停止時に前記給排水手段に前記排水処理を実施させた後に、前記流路乾燥手段を作動させる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. 前記給排水手段は、冷却水を貯留するタンクと、冷却水を送液する送液手段と、を含み、
   前記制御手段は、燃料電池の停止時には前記燃料電池スタックから前記タンクに冷却水を回収するように前記送液手段を作動させ、燃料電池の始動時には前記タンクから前記燃料電池スタックに冷却水を戻すように前記送液手段を作動させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記タンクは、外気に対して断熱されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記タンクは、イオン除去フィルタを備えていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記流路乾燥手段は、前記燃料電池スタックの前記流路に空気を供給する空気供給手段と、供給する空気を加熱する電気ヒータと、を含み、
   前記制御手段は、燃料電池の停止時に前記給排水手段に前記排水処理を実施させた後に、前記空気供給手段および前記電気ヒータを作動させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記給排水手段は、冷却水を送液する送液手段を含み、
   前記送液手段を液およびガスを送出可能なポンプから構成し、当該ポンプを前記空気供給手段として兼用していることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池スタックおよび前記電気ヒータの両者に電気的に接続される２次電池をさらに有し、
   前記制御手段は、前記２次電池の充放電を制御し、燃料電池が稼動しているときに発電量の一部を前記２次電池に充電させ、前記電気ヒータを作動させるときに前記２次電池から前記電気ヒータに放電させることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

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