(57)【要約】【課題】            水素ボンベからの水素ガスの放出を全量について円滑化するとともに、燃料電池本体の発電を長時間に亘って安定的に実施可能にする。【解決手段】        加圧水素を充填した水素ボンベ１１と、水素ガスの酸化によって生じる化学エネルギを電気エネルギに変換する燃料電池本体１２と、水素ボンベ１１を放熱部材２１を介して支持するペルチェ素子１３と、を備え、燃料電池本体１２を、これの反応熱を温風ファンを用いて水素ボンベ１１に直接または温風通路を介し吹き付けるようにすると共に、記燃料電池本体１２が発生する直流電流によってペルチェ素子１３下面では吸熱を、上面では発熱をそれぞれ行なわせ、その発熱を水素ボンベ１１に及ばしめる構成である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧水素が充填された水素ボンベと、
この水素ボンベから供給された水素ガスの酸化によって生じる化学エネルギを電気エネルギに変換する燃料電池本体と、
前記水素ボンベを放熱部材を介して支持するペルチェ素子と、
を備え、
前記燃料電池本体の反応熱を温風ファンによって前記水素ボンベに直接または温風通路を介し吹き付けるようにすると共に、
前記燃料電池本体が発生する直流電流によって前記ペルチェ素子下面では吸熱を、上面では発熱をそれぞれ行なわせ、その発熱を前記水素ボンベの底部に伝えることを特徴とする燃料電池の運用システム。
【請求項２】
前記ペルチェ素子は燃料電池本体が発生する直流電圧の出力端子とこの直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータとの間に接続され、前記ペルチェ素子には過電流バイパス用のダイオードが並列接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運用システム。
【請求項３】
前記燃料電池本体が化学反応により発生した水滴をパージする電磁弁を有し、この電磁弁には、この電磁弁の駆動時における燃料電池の出力電圧の低下をバックアップする電気二重層コンデンサが並列接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の運用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の運用システムに係り、特に水素ボンベから燃料電池本体へ水素ガスをスムースに放出するための燃料電池の運用システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガス流路を有する各一の燃料電極および酸化電極間に電解質膜（層）を介在させ、燃料電極の反応ガス流路には水素ガス（燃料ガス）を、酸化電極の反応ガス流路には酸素（空気）を供給して、これらの水素ガスと酸素との電気化学反応にもとづいて正負の電圧（電力）を電気エネルギとして前記燃料電極および酸化電極から各端子を通じて取り出すように構成されている（例えば、特許文献１、２を参照）。
【０００３】
かかる燃料電池は、内燃機関を動力源として用いる発電機に比べて、振動や騒音を発生しないので、様々な用途、環境で広く利用できる。また、この燃料電池の作動には燃料となる水素が必要であり、この水素は取扱い上や防災上の都合から高耐圧の水素ボンベに充填される。燃料電池の運用時には、この水素ボンベから前記燃料電池に水素ガスが供給される。水素ボンベは、防災上の都合から、燃料電池とは独立したボンベ室に設置されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−０７６１４５号公報
【特許文献２】特開２０００−３５３５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の燃料電池の運用システムは、解決すべき以下の問題を有している。
即ち、従来の燃料電池の運用システムでは水素ボンベから放出された水素ガスが燃料電池に供給される際に、前記水素ガスが放出される際の吸熱作用によって水素ボンベの温度が徐々に低下していく。そして、その温度が例えば１５℃以下になると、水素ボンベ内の圧力が低下していき、水素の全てが放出されずに、一部が残留する。例えば、０℃の状態では水素充填量の１０％程度しか使用できない場合が生じる。
【０００６】
従って、消費電力の設計値が１２Ｖ−１Ａの場合には水素ボンベの使用時間は２２時間となるのに対し、夏場での外気温が２５〜３０℃でも前記吸熱作用によって水素ボンベの筐体の温度が１２℃以下となり、水素ボンベの使用時間は連続使用で５〜６時間が限度となる。特に、冬場での外気温が０℃においてはボンベ本体の温度が−１５℃まで低下し、略１時間で水素ガスの供給が止まり、燃料電池は電力の出力を停止してしまうという実用上不都合があった。
【０００７】
また、燃料電池の無負荷時電圧が例えば２０Ｖである場合に、燃料電池の稼動時電圧が１８Ｖから徐々に低下して１２Ｖに達すると、燃料電池保護のためにこの燃料電池から負荷を切り離す必要がある。一方、燃料電池内には水素と酸素の電気化学反応によって発生した水滴が蓄積されるため、例えば１０分間に１回程度の割合で電磁弁を作動させて、その水滴を一箇所に集めて外部に逃がしている。
【０００８】
このときの電磁弁の作動時に発生する例えば約３Ｖの電圧降下によって、燃料電池の出力電圧が１４Ｖから１１Ｖに低下する。この場合には、リミッタが燃料電池から負荷を切り離すため、水素ボンベ内の水素残量が十分あるにも拘らず、水素ボンベから負荷への電力供給は停止してしまう。
【０００９】
本発明はかかる従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、水素ボンベからの水素ガスの放出を円滑化するとともに、燃料電池本体の発電を長時間に亘って安定的に実現可能にする燃料電池の運用システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述した目的を達成するために、本発明に係る燃料電池の運用システムは、加圧水素が充填された水素ボンベと、この水素ボンベから供給された水素ガスの酸化によって生じる化学エネルギを電気エネルギに変換する燃料電池本体と、前記水素ボンベを放熱部材を介して支持するペルチェ素子と、を備え、前記燃料電池本体の反応熱を温風ファンによって前記水素ボンベに直接または温風通路を介し吹き付けるようにすると共に、前記燃料電池本体が発生する直流電流によって前記ペルチェ素子下面では吸熱を、上面では発熱をそれぞれ行なわせ、その発熱を前記水素ボンベの底部に及ばしめることを特徴とする。
【００１１】
この構成により、夏場での電力供給時には、燃料電池本体が発生する、外気温より例えば１０℃を超える反応熱で水素ボンベを加温できる。一方冬場（例えば、外気温度が１５℃以下）での電力供給時には、前記反応熱とともに、燃料電池本体が発生する電力によりペルチェ素子が発生する略６℃を超える温熱を水素ボンベに加えて、これを十分に加温することができる。従って、外気温の変化に拘わらず水素ボンベ内の加圧水素の略全てを燃料電池本体に供給できる。この結果、燃料電池本体の長時間の安定的運用が可能になる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池の運用システムは、前記ペルチェ素子が、燃料電池本体が発生する直流電圧の出力端子とこの直流電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータとの間に接続され、前記ペルチェ素子には過電流バイパス用のダイオードが並列接続されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成により、ペルチェ素子は燃料電池本体が発生する電圧を受けて動作するが、この燃料電池本体が発生する電圧の低下につれて電流が増大する。これによりペルチェ素子上部での発生熱量（加熱量）も増加し、水素ボンベからの水素ガスの放出が促進される。また、このときの電流増大によるペルチェ素子の電流暴走がダイオードによる電流バイパス機能により防止される。同時にダイオードの発熱をヒートシンクを介したペルチェ素子下部に及ばしめ、このペルチェ素子下部の過冷却が防止される。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池の運用システムは、前記燃料電池本体が化学反応により発生した水滴をパージする電磁弁を有し、この電磁弁には、この電磁弁の駆動時における燃料電池本体の出力電圧の低下をバックアップする電気二重層コンデンサが並列接続されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成により、電磁弁の作動時における燃料電池本体の出力電圧の電圧降下が抑えられるので、燃料電池本体を長時間に亘って安全、安定的に運用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、水素ボンベの温度を外気温に大きく影響されずに一定値以上に保つことで、水素ボンベからの水素ガスの略全量の放出を円滑に実施でき、結果として燃料電池本体の発生電圧を長時間に亘って継続的かつ安定的に負荷に供給できる。
【００１７】
以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に発明を実施するための最良の形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池の運用システムを示す構成図である。
【図２】図１における燃料電池本体、水素ボンベおよびペルチェ素子の発電室内における配置例を示す説明図である。
【図３】水素放出時における水素ボンベの温度特性図である。
【図４】燃料電池本体の電圧−電流特性図である。
【図５】ペルチェ素子の温度特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態にかかる燃料電池の運用システムを、図１乃至図５を参照して説明する。
【００２０】
図１に示す本実施形態の燃料電池の運用システムは、水素ボンベ１１と、燃料電池本体１２と、ペルチェ素子１３と、を主に備えて構成される。これらのうち、水素ボンベ１１は燃料として加圧水素を充填した高耐圧のボンベであり、例えばアルミ合金で覆われて、内圧が周辺温度に対して２０℃〜２５℃のもとで略８バールを維持するように構成されている。なお、この水素ボンベ１１は内部の加圧水素の放出に伴う吸熱作用によって、ボンベ本体の筐体温度が低下していく。従って、この筐体温度の低下に伴う内圧低下によって水素放出率も低下する。
【００２１】
なお、図示しないが、水素ボンベ１１から供給される水素ガスは、手動弁、レギュレータ、遮断弁および配管等を介して前記燃料電池本体１２に供給される。また、万一、水素ボンベ１１や配管等から水素ガスが洩れたことを検出するための水素ガスセンサが、発電室内に設置される。この水素ガスセンサが発電室内の水素濃度が規定値以上になったことを検出した際に、図示しない制御手段が遮断弁を閉じて、水素ボンベ１１から燃料電池本体１２への水素の供給を遮断する。これにより燃料電池本体１２の運転が停止されるので、水素ガス供給系統の保守、点検等の安全対策を速やかに採ることができる。
【００２２】
燃料電池本体１２は、水素ボンベ１１の水素吐出口１１ａから供給された水素ガスの、酸素による酸化によって生じる化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池本体１２を構成する各セル（燃料電池セル）は反応ガスである前記水素ガスの通路を持つ燃料電極（アノード）と酸素（空気）の通路を持つ酸化電極（カソード）とを電解質膜を介して接合したものから構成される。このセルの複数個を積層してモジュール化することで燃料電池本体１２が形成される。
【００２３】
この燃料電池本体１２は、燃料電極に形成された水素ガスの通路に水素ガスを供給する水素ガス注入口１２ａと、水素と酸素との電気化学反応により得られた水を排出する排水口１２ｂと、この電気化学反応により発生する直流電力を出力する正負の端子１２ｃ、１２ｄと、を備える。さらに、この燃料電池本体１２は電気化学反応によって発生する反応熱を温風として外部へ放出する温風ファン１４を有する。
【００２４】
燃料電池本体１２は、この温風ファン１４が送出する温風を水素ボンベ１１の外周面に直接吹き付ける向きに設置されている。なお、燃料電池本体１２と水素ボンベ１１とが別室に設置されて離れているような場合には、燃料電池本体１２と水素ボンベ１１との間に温風通路を設け、温風を水素ボンベ１１に吹き付けるようにしてもよい。また、水素と酸素の前記電気化学反応によって生成された水滴（水）を燃料電池本体１２の外に排出する排出口１２ｂには、水素ガスの圧力でパージするために開かれる電磁弁１５が接続されている。
【００２５】
前記燃料電池本体１２の正負の端子１２ｃ、１２ｄには直流電圧昇圧用のＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａ、１６ｂが接続されており、正の端子１２ｃとＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａとの間には、ペルチェ素子１３が接続されている。また、負の端子１２ｄはＤＣ／ＤＣコンバータ１６ｂに接続されている。ペルチェ素子１３には水素ボンベ１１の温度が設定値（例えば、１５℃）以上の場合に開放されるサーモスタット１７が並列接続されている。
【００２６】
また、このペルチェ素子１３には、このペルチェ素子１３とＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａとの組み合わせによってペルチェ素子１３を流れる電流が暴走するのを防止するためのダイオード１８が並列接続されている。このダイオード１８は、電流容量を増すために複数個を直列接続したものとすることは任意である。
【００２７】
水素ボンベ１１および燃料電池本体１２は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａ、１６ｂを持つ制御基板１９とともに、例えば図２に示すような防爆型の発電室２０内に設置されている。ここで、前記水素ボンベ１１は銅版からなる放熱部材２１上に支持され、この放熱部材２１はペルチェ素子１３を介してヒートシンク２２上に支持されている。このヒートシンク２２下面には前述のダイオード１８が取り付けられている。
【００２８】
従って、ペルチェ素子１３は上部側に発生した温熱を、放熱部材（放熱板）２１を介して水素ボンベ１１の底部全体を効率的に加温し、ダイオード１８はこれに流される電流により発生するジュール熱をヒートシンクに伝え、ヒートシンク２２の過冷却を防止するように作用する。なお、符号２３はヒートシンク２２を発電室２０内の底部に支持する支持台である。
【００２９】
かかる構成になる燃料電池の運用システムでは、水素ボンベ１１の開閉弁（栓）１１ｂが開かれると水素ガスが水素吐出口１１ａから耐圧パイプを通じて燃料電池本体１２の水素ガス注入口１２ａに取り込まれる。一方、燃料電池本体１２内には温風ファン１４によって空気（酸素）が取り込まれる。これらの水素ガスおよび酸素は、燃料電極と酸化電極の各反応ガス流路に供給されて、前述のような電気化学反応によって電気エネルギ（直流電力）を端子１２ｃ、１２ｄに発生する。
【００３０】
この場合において、水素ボンベ１１は水素ガスの供給による前述のような吸熱作用によって、図３に示すように、筐体自体の温度が低下していく。このため、水素ボンベ１１の内圧も低下し、水素ガスの水素吐出口１１ａからの吐出量も減っていく。しかし、本実施形態では、燃料電池本体１２における前記電気化学反応に伴う反応熱が、温風ファン１４によって外気温より１０℃以上高い温風として水素ボンベ１１の外周面に吹き付けられる。このため、この温風を受けて水素ボンベ１１の筐体温度は、例えば外気温より９度以上高い温度に上昇する。
【００３１】
一方、燃料電池本体１２の電気化学反応により正の端子１２ｃに発生した直流電圧はペルチェ素子１３を通じてＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａに供給されて、昇圧される。このため、ペルチェ素子１３は下面でヒートシンク２２の温熱を吸収（吸熱）し、一種の熱ポンプとして動作し、図４に示すように、上面が周囲温度に比べて例えば６℃程度高い温度に発熱する。この熱はさらに放熱板（放熱部材）２１を介して水素ボンベ１１の底面に伝えられる。このため、水素ボンベ１１は、前記温風の９℃とペルチェ素子１３の上部に発生させた６℃とを加えた１５℃の温度で加温され、水素ボンベ１１の内圧が上昇して水素ガスは燃料電池本体１２へスムースに供給される。
【００３２】
この場合において、ペルチェ素子１３は、燃料電池本体１２とＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａとの間に接続されているため、図５に示すように、燃料電池本体１２の電圧低下（２０Ｖから１２Ｖ）とともに電流が増大し（１Ａから１．６Ａ）、水素ボンベ１１の残圧低下につれて、ペルチェ素子１３における加温量が増大する。この結果、水素ボンベ１１内の水素ガスの略すべてが放出される。
【００３３】
なお、ペルチェ素子１３とＤＣ／ＤＣコンバータ１６ａとの組み合わせでは、ペルチェ素子１３の特性から電流暴走が発生するが、ダイオード１８はこの場合の過電流を検出してペルチェ素子１３をバイパスするので、かかる電流暴走を確実に回避することができる。また、このダイオード１８はその電流を受けて発熱し、ヒートシンク２２を介してペルチェ素子１３の下面を加温して、その下面の過冷却を防止している。
【００３４】
また、前述のような電気化学反応に伴って燃料電池本体１２内には水滴が蓄積されるので、電磁弁１５を所定のタイミングで開いてその水を外部へ流出させている。この電磁弁１５は０．１秒間開かれるように駆動され、この間燃料電池本体１２の出力電圧が降下する。しかし、この電圧降下対策として電気２重層コンデンサを電磁弁１５のソレノイドに並列に接続することで、前記電圧降下を抑えることができる。これにより燃料電池本体１２の出力を安定化できるとともに、この動作を長期に亘って維持することができる。
【００３５】
なお、前記においては水素ボンベ１１を燃料電池本体１２の反応熱とペルチェ素子１３の発熱との両方で加温するケースについて述べた。しかし、このケース以外にも、夏場では燃料電池本体１２の反応熱を連続的に水素ボンベ１１の外周面に吹き付けるのみとし、冬場（例えば、外気温が１５℃以下）ではこれに加えてサーモスタット１７を働かせて（オフにして）、ペルチェ素子１３の発熱を水素ボンベ１１の底面に伝えるようにしてもよい。
【００３６】
また、冬場では、例えば、外気温が０℃で、発電室２０の室内温度が１５℃である場合には、室内壁に結露が発生する。このため、発電室２０の壁には適当な断熱対策を施すことが望ましい。さらに、前記温風ファン１４としてより大径サイズのものを用いることで送風量を増大でき、水素ボンベ１１に対する加温効率を高めることができる。
【００３７】
以上のように、本実施形態の燃料電池の運用システムは、燃料である加圧水素を充填した水素ボンベ１１と、この水素ボンベ１１から供給された水素ガスの酸化によって生じる化学エネルギを電気エネルギに変換する燃料電池本体１２と、水素ボンベ１１を放熱部材２１を介して支持するペルチェ素子１３と、を有し、燃料電池本体１２を、これの反応熱を温風ファン１４によって水素ボンベ１１に直接または温風通路を介し吹き付けるようにすると共に、燃料電池本体１２が発生する直流電流によって前記ペルチェ素子１３の上面を発熱させ、その発熱を水素ボンベ１１の底部に及ばしめるような構成とした。
【００３８】
従って、夏場での電力供給時には、燃料電池本体１２が発生する外気温より略１０℃を超える反応熱の温風で水素ボンベ１１を加温し、一方冬場での電力供給時には、前記反応熱に加えて燃料電池本体１２が発生する電力によりペルチェ素子１３が発生する温熱により略６℃を超える温度に前記水素ボンベ１１を加温することで、外気温の影響を大きく受けることなく、水素ボンベ１１内の加圧水素を略全てを燃料電池本体１２に供給できる。この結果、燃料電池本体１２の長時間の安定的運用が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明にかかる燃料電池の運用システムは水素ボンベからの水素ガスの略全量を放出できるとともに、燃料電池本体の発電を長時間に亘って安定的に実施できるという効果を有し、水素ボンベから燃料電池本体へ水素ガスをスムースに放出するための燃料電池の運用システム等に有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１１  水素ボンベ  
１２  燃料電池本体
１２ａ  水素ガス注入口
１２ｂ  排水口
１２ｃ、１２ｄ  端子
１３  ペルチェ素子
１４  温風ファン
１５  電磁弁
１６ａ、１６ｂ  ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７  サーモスタット
１８  ダイオード
１９  制御基板
２０  発電室
２１  放熱部材（放熱板）
２２  ヒートシンク
２３  支持台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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