JP3690362B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は起動運転時の暖機性を改善した燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
ガソリンやアルコールなどの炭化水素を原燃料として、これと酸化剤としての空気を予混合し、この原燃料ガスを触媒で反応させて水素リッチな改質ガスを生成する改質装置が、特開２００１−１８０９０４号公報に開示されている。この改質装置では氷点下の低温状態から燃料電池システムを起動するときに、燃料電池を発電可能な温度まで暖めるために、起動時に加熱用の熱媒体を導入し、空気流路の入口側から温度を高めていき、入口側が発電可能温度になったら発電を開始し、以降は発電に伴って発生する熱を利用しながら燃料電池の未昇温領域を暖めていくようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、熱媒体により空気流路の入口側から燃料電池が暖められても、下流側の温度は直ぐには上昇せず、このため発電作用の開始により発生した生成水が空気流路の下流側に流れるにしたがって凝縮または凍結し、反応面がガスと遮断されて反応できなくなる、または空気流路が閉塞されて空気が流れなくなり、発電が継続できなくなるというおそれがあった。
【０００４】
そこで本発明は、燃料電池の低温状態からの起動時には、熱媒体により燃料電池の空気流路の出口領域部分から加熱し、発電に伴って発生する生成水が燃料電池内部で凝縮ないしは凍結することのないようにして、起動運転を継続させられるようすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、水素リッチなガスと酸化剤との反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に熱媒体を循環させる循環回路と、燃料電池の酸化剤流路の下流の出口領域より前記熱媒体を燃料電池内に導入する流路と、前記循環回路に介装され、循環する熱媒体を加熱する加熱器と、前記熱媒体を燃料電池内に導入する流路の途中であって前記酸化剤流路の出口領域の終了部位付近から前記加熱器へと熱媒体を戻すバイパス流路と、このバイパス流路に設けた開閉弁と、燃料電池システムの起動運転時に燃料電池に熱媒体を循環させ、かつこのときに前記開閉弁を開き熱媒体を燃料電池の一部領域のみに循環させ前記酸化剤流路の出口領域が発電可能な温度に上昇してから前記開閉弁を閉じて発電を開始させる制御手段とを備える。第２の発明は第１の発明において、前記循環回路には前記加熱器と並列に放熱器を設け、これら加熱器と放熱器とを選択的に循環回路に接続する切換弁を備え、燃料電池システムの起動運転時には加熱器に熱媒体を流し、暖機後の発電運転時には放熱器に熱媒体を流すように切換弁を切り換える。第３の発明は第１または第２の発明において、前記燃料電池システムの起動運転時には、発電開始後に比較して熱媒体の循環流量を小さく設定する。第４の発明は、第１から第３の発明において、前記酸化剤流路の出口側温度を検出する手段を設け、前記制御手段は、酸化剤の出口温度が所定値以上となったときに前記熱媒体による燃料電池の加熱を終了させる。第５の発明は第１から第４の発明において、前記酸化剤流路の出口領域はその下方の出口部に至るまで、燃料電池内でほぼ垂直に形成されている。
【０００６】
【作用・効果】
第１の発明によれば、燃料電池の氷点下など低温状態からの起動運転時に、加熱器により加熱された熱媒体により、酸化剤流路の出口領域から加熱していくので、発電が開始され、発電領域での酸化剤流路に生成水が発生しても、その下流側は既に温度が上昇しているため、生成水が途中で凝縮したり凍結することがなく、発電開始後に生成水の詰まりや凍結により酸化剤の供給が不能となり、発電が停止してしまうようなことが確実に防止できる。この場合、起動運転時の発電領域には他の領域に比較して、多量の加熱された熱媒体が集中的に流れるので、起動時に発電領域が発電可能な温度に到達するまでの時間を一層短くすることができ、燃料電池システムの起動時間をそれだけ短縮できる。第２の発明では、熱媒体の循環回路を利用して燃料電池システムの暖機と冷却との両方を効率的に行うことができる。第３の発明によれば、起動直後は燃料電池に供給する熱媒体の流量を小さくして、熱媒体流路の上流側領域での熱交換量を増加させることができるため、酸化剤流路の出口領域を発電可能な温度まで短時間のうちに上昇させることができる。第４の発明では、燃料電池が通常の発電動作が可能、つまり、酸化剤流路に成水の凝縮、凍結の発生しない条件になったことを確実に確認でき、またこの状態で熱媒体の加熱を終了させることにより、不必要な加熱を行わず、燃費の改善にもつながる。第５の発明では、酸化剤流路の出口領域では、垂直下方に生成水を含む酸化剤が流れるため、生成水の排出がスムーズになり、生成水の滞留などが確実に防止できる。
【０００７】
【実施形態】
以下、本発明の実施形態を図にしたがって説明する。まず本発明の前提となる参考例としての燃料電池システムから説明すると、図１に示すように、本発明の参考例としての燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備える。
【０００８】
燃料電池１は、図示しないが、電解質膜を一対の電極で挟んで形成されるセルが、多数積層されて構成される。燃料電池１にはコンプレッサなどの空気供給装置４から供給される酸化剤としての空気中の酸素と、水素タンクなどの水素供給装置５から供給される水素、ないしは水素リッチガスとを反応させて発電を行う。燃料電池１で発電した電力は発電量制御装置７（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ）を介して負荷に供給される。燃料電池１の発電は発熱反応であり、発生した熱を燃料電池１の外部に放出するために、熱媒体を循環させる循環回路１５が接続される。循環回路１５には熱媒体が回収した熱を放熱するための放熱器３が設けられる一方、燃料電池システムの低温の起動運転時など熱媒体を利用して燃料電池１を暖めるようにもなっていて、このため熱媒体を加熱する加熱器２を備える。放熱器３が配設された流路１２と、加熱器２を配設した流路１３とは互いに並列に構成され、循環回路１５に対して切換弁１１の切り換えにより、いずれか一方が選択的に接続される。つまり、放熱時には流路１２を熱媒体が流れ、加熱時には流路１３を熱媒体が流れるように切換弁１１が流路切換を行う。循環回路１５には熱媒体を循環させるポンプ８が介装され、ポンプ８の下流には熱媒体の温度を検出する温度センサ９が設けられる。
【０００９】
図２は燃料電池１を構成するセルの一断面を示すが、各セル内には前記した空気供給装置４からの空気を導入する空気流路（酸化剤流路）２１が設けられ、空気が空気流路２１を流れるうちに、空気中の酸素が電解質膜を透過する水素と反応して発電を行い、このとき発生する水が空気流路２１に排出される。なお、図２では水素の供給流路の図示が省略されている。各セル間において同じようにして形成される空気流路２１は、全体的には、屈曲して形成され、入口部２１ａから流入した空気は出口部２１ｂから排出されるが、出口部２１ｂに向かっては空気流路２１の一部が垂直に形成され、この出口領域部分２２では水分を含む空気流が垂直下方に流れ、燃料電池底部の出口部２１ｂから排出されるようになっている。そして、図からも明らかなように、この空気流路２１に沿って熱媒体を燃料電池内で循環させるために、燃料電池内部には、前記循環回路１５と接続し、循環回路１５の一部を構成する内部流路１６が形成される。この内部流路１６は少なくとも空気流路２１の下流側の出口領域部分２２に近い部分から熱媒体を導入するように導入口１６ａが設けられ、導入口１６ａに連なる内部流路１６は出口領域部分２２において空気流路２１にほぼ平行に近接して配設される。
【００１０】
また、内部流路１６から熱媒体を排出する導出口１６ｂは、空気流路２１の入口部２１ａと接続する垂直方向に延びる入口領域部分２３に近接して設けられる。このように内部流路１６はその導入口１６ａが、垂直な出口領域部分２２の上方に位置し、燃料電池１の底部に平行となるように直角に折り曲がり、入口領域部分２３に沿って立ち上がり、その上方に導出口１６ｂが接続され、したがって、燃料電池システムの起動運転時など、内部流路１６に燃料電池１よりも温度の高い熱媒体を流すときには、まず先に空気流路２１の出口領域部分２２が加熱されるようになっている。なお、内部流路１６と空気流路２１との関係は、図２では機能的に図示しているので、図１との配置関係が一致していない。前記空気流路２１の出口側には燃料電池１から排出される空気の温度を検出する温度センサ６が設けられる。
【００１１】
運転状態に応じて燃料電池１の加熱または冷却を制御するためにコントローラ３０が備えられる。このコントローラ３０はマイクロコンピュータなどで構成され、前記温度センサ６、９からの温度信号が入力し、また発電量制御装置７からの出力状態の検出信号も入力し、これらに基づいて燃料電池システムの低温起動時などに燃料電池１を加熱し、暖機後の高負荷時などは燃料電池１を冷却するように、前記切換弁１１を切り換え制御し、また同時に加熱器２の作動と、ポンプ８の作動とを制御する。コントローラ３０はさらに空気供給装置４の作動を制御し、また発電量制御装置７を介して燃料電池１の発電量も制御する。
【００１２】
図３によってコントローラ３０で実行される制御動作を説明する。ステップＳ１でポンプ８を起動して熱媒体を燃料電池１に循環させ、ステップＳ２で温度センサ９の検出した熱媒体の温度が、燃料電池１の運転可能温度よりも高いかどうかを判断する。運転可能温度は、燃料電池システムが起動後に要求する出力を燃料電池１が発揮できる最低の温度であり、燃料電池１を構成する電解質膜や電極触媒、ガス流路の構成などに基づいて決まる。もし、運転可能温度以上ならばそのままステップＳ１３に進み、通常運転に移行する。これに対して運転可能温度以下ならば、ステップＳ３で加熱器２を作動させて熱媒体の加熱を開始し、ステップＳ４で切換弁１１を切り換えて、循環回路１５に加熱器２で加熱した熱媒体を循環させる。ステップＳ５で熱媒体の温度が燃料電池１の耐熱温度を超えない範囲で最も高い温度Ｔ１となるように加熱器２の発熱量を設定し、またポンプ吐出量をこの温度Ｔ１を維持可能な熱媒体の流量Ｑ１となるように設定し、ステップＳ６では熱媒体の温度Ｔ１で、流量Ｑ１の状態を所定の時間だけ保持する。これにより燃料電池１は高温の熱媒体により、とくに空気流路２１の出口領域部分２２から暖められていく。その後、ステップＳ７で燃料電池１に対して空気と水素リッチガスの供給を開始する。これにより燃料電池１が部分的に反応できる温度にあれば、燃料電池１は電圧を発生、つまり発電を開始する。燃料電池１は発電により発熱し、これにより燃料電池１の温度がさらに上昇していく。燃料電池の発生電圧（スタック電圧）は出力制御装置７の内部に備える電圧計測手段により測定でき、ステップＳ８では燃料電池１のスタック電圧が予定の出力を取り出すときの出力可能電圧より大きくなったかどうかの判断を行い、大きくないときは、出力可能電圧よりも大きくなるまで待ち、出力可能電圧を越えたときにはステップＳ９に進む。そしてステップＳ９で燃料電池１の空気流路２１の出口温度を測定する温度センサ６の測定値を、燃料電池１の予定の出力が可能となる空気温度である所定温度Ｔ２まで上昇したかどうか判断する。燃料電池１の内部流路１６に導入される高温の熱媒体の循環により空気流路２１を流れる空気温度が上昇し、この出口側の温度Ｔａが発電可能温度Ｔ２以上になれば、少なくとも、空気流路２１の出口領域部分２２を発電可能温度に達していることが判断できる。
【００１３】
このようにして、燃料電池１の暖機が完了したならば、通常の発電動作に移行するのであり、そこで、出口温度が所定値Ｔ２を越えたならばステップＳ１０に進み、切換弁１１を元の状態に切り換えて、熱媒体の循環回路１５に加熱器２に代えて放熱器３を接続し、燃料電池１を通過した熱媒体が放熱器３を流れるようにする。そしてステップＳ１１では、熱媒体の温度が、燃料電池１での発電に伴って発生する熱量を常に適正なレベルまで放熱するのに必要な温度Ｔ３となるように、放熱器３の容量との関係から要求されるポンプ流量をＱ２に設定する。ただし、流量Ｑ２はＱ１より大きな値に設定される。ステップＳ１２では不必要になった加熱器２の作動を停止させた後、ステップＳ１３に進んで燃料電池の通常運転制御に移行する。
【００１４】
このようにして燃料電池１の氷点下など低温状態からの起動運転時に、加熱器２により加熱された熱媒体を内部流路１６に導入し、空気流路２１の出口領域部分２２から加熱していくので、燃料電池１が一部において発電可能な状態まで暖められ、発電が開始され、これにより発電領域での空気流路２１に生成水が発生しても、出口までは既に温度が上昇しているため、生成水がその下流側で、つまり燃料電池１の出口に至るまでの間に凝縮したり凍結することがない。この結果、発電開始後に生成水の詰まりや凍結により空気供給が不能となり、発電が停止してしまうようなことが確実に防止でき、円滑で安定した起動運転が行える。
【００１５】
また、起動直後は燃料電池１に供給する熱媒体の流量を小さく、その後に発電を開始したら熱媒体の流量を増加させるようにしているので、起動直後は燃料電池１に対する熱媒体流路の上流側領域、すなわち空気流路２１の出口領域部分２２に沿って設けられた部位での熱交換量が大きく、このため空気流路２１の出口領域部分２２を発電可能な温度まで短時間のうちに上昇させることができ、早期に発電作用を開始できる。
空気流路２１の出口領域部分２２は燃料電池１に垂直方向に配置され、垂直下方に生成水を含む空気が流れるため、生成水が重力に逆らうことなくスムーズに流れ、生成水の滞留が抑制され、より高負荷の発電への移行も円滑に行える。また、空気流路２１の出口側の空気温度が所定値以上となったときに燃料電池１が通常の発電動作が可能になったものと判断して、熱媒体よる加熱を終了させるので、空気流路２１での生成水の凝縮、凍結が確実に発生しない条件下で暖機を完了させて、通常の発電動作に移行でき、また熱媒体の加熱を終了させることにより、不必要な加熱を行わず、燃費の改善にもつながる。
【００１６】
このような参考例を前提としたうえで、次に図４、図５により本発明の実施形態を説明する。ただし、前記した参考例と異なる部分のみ説明し、同一部分の説明は省略する。
本発明の実施形態にあっては、燃料電池１の熱媒体を導く内部流路１６の途中から燃料電池外部に熱媒体を排出するバイパス流路１７を設け、このバイパス流路１７には開閉弁１８を介装する。バイパス流路１７は空気流路２１の出口領域部分２２の終了部位において内部流路１６から分岐し、加熱器２の入口側に接続する。
そして、起動運転時にはコントローラ３０により開閉弁１８を開き、起動運転時の発電領域となる、出口領域部分２２を加熱した熱媒体が、その下流側の燃料電池内を通過することなく外部に排出され、加熱器２に循環するようにしてある。そして、燃料電池１の空気流路２１の出口領域部分２２が発電可能となった状態で、開閉弁１８を閉じて熱媒体が燃料電池全体を流れるようにする。
【００１７】
このようにすると、起動運転時の発電領域には他の領域に対して、多量の加熱された熱媒体が集中的に流れるので、起動運転時に発電領域が発電可能な温度に到達するまでの時間をなお一層短くすることができ、燃料電池システムの起動運転時間をそれだけ短縮できる。本発明は上記した実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例の構成図である。
【図２】同じくセル内の流路構成を示す説明図である。
【図３】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態の構成図である。
【図５】同じくセル内の流路構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 加熱器
３ 放熱器
４ 空気供給装置
５ 水素供給装置
７ 出力制御装置
８ ポンプ
１１ 切換弁
１５ 循環回路
１６ 内部流路
１６ａ 導入口
１６ｂ 導出口
１７ バイパス流路
１８ 開閉弁
２１ 空気流路
２２ 出口領域部分
３０ コントローラ

Claims (5)

1. 水素リッチなガスと酸化剤との反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に熱媒体を循環させる循環回路と、燃料電池の酸化剤流路の下流の出口領域より前記熱媒体を燃料電池内に導入する流路と、前記循環回路に介装され、循環する熱媒体を加熱する加熱器と、前記熱媒体を燃料電池内に導入する流路の途中であって前記酸化剤流路の出口領域の終了部位付近から前記加熱器へと熱媒体を戻すバイパス流路と、このバイパス流路に設けた開閉弁と、燃料電池システムの起動運転時に燃料電池に熱媒体を循環させ、かつこのときに前記開閉弁を開き熱媒体を燃料電池の一部領域のみに循環させ前記酸化剤流路の出口領域が発電可能な温度に上昇してから前記開閉弁を閉じて発電を開始させる制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記循環回路には前記加熱器と並列に放熱器を設け、これら加熱器と放熱器とを選択的に循環回路に接続する切換弁を備え、燃料電池システムの起動運転時には加熱器に熱媒体を流し、暖機後の発電運転時には放熱器に熱媒体を流すように切換弁を切り換える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムの起動運転時には、発電開始後に比較して熱媒体の循環流量を小さく設定した請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化剤流路の出口側温度を検出する手段を設け、前記制御手段は、酸化剤の出口温度が所定値以上となったときに前記熱媒体による燃料電池の加熱を終了させる請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤流路の出口領域はその下方の出口部に至るまで、燃料電池内でほぼ垂直に形成されている請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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