(57)【要約】【課題】  固体高分子型燃料電池システムの凍結を防止する。【解決手段】  第一の燃料電池システム１のセルスタック１０は、周囲を再生式吸湿発熱体１５にくるまれてケーシング１４に収容されている。ダイレクトメタノール型燃料電池２１を備える第二の燃料電池システム２は、第一の燃料電池システム１と脱着可能となっている。温度センサ１７の検出値に基づいてセルスタック１０の凍結が予想されるとき、コントローラ２５は、ダイレクトメタノール型燃料電池２１を起動して、その発電に伴う生成水を含んだ湿潤空気を蒸気供給装置２３からケーシング１４の内部へ供給する。再生式吸湿発熱体１５は、蒸気供給装置２３から供給される蒸気を吸湿して発熱し、セルスタック１０を保温する。ドライヤー５０は、乾燥空気をケーシング１４内部へ供給して再生式吸湿発熱体１５を再生させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルスタックを備えた第一の燃料電池システムと、
吸湿により発熱する一方乾燥により発熱前の状態に再生する吸湿発熱繊維からなる再生式吸湿発熱体と、
少なくとも前記セルスタックおよび前記再生式吸湿発熱体を収容するケーシングと、
発電により発生した蒸気を前記ケーシング内部へ供給する第二の燃料電池システムと、
前記ケーシング内へ乾燥空気を供給するドライヤーと、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
第二の燃料電池システムは、メタノールを直接燃料として使用するダイレクトメタノール型燃料電池システムであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
第二の燃料電池システムは、脱着可能なカートリッジからメタノールが供給されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
第二の燃料電池システムは、第一の燃料電池システムから脱着可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ケーシング内の温度または前記セルスタックの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出結果に応じて第二の燃料電池システムの運転を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、
前記温度検出手段が検出した温度が第一所定値以下となった場合に、第二の燃料電池システムの発電を開始させて、発電により発生した蒸気を前記ケーシングへ供給し、
前記温度検出手段が検出した温度が第一所定値を超えた場合に、第二の燃料電池システムの発電を停止させて、蒸気の供給を停止させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ケーシング内の湿度を検出する湿度検出手段を備え、
該湿度検出手段の検出結果に応じて、前記ドライヤーから乾燥空気を供給することで、前記再生式吸湿発熱体を再生することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
第二の燃料電池システムの発電によって発生した電力を一時貯蔵する二次電池を備え、
該二次電池の電力で前記ドライヤーを作動させることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記ドライヤーは、外部電源から電力供給可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池システムを保温して凍結防止する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
しかしながら、固体高分子電解質は、水和状態で水素イオン伝導性を発揮するものが多く、固体高分子型燃料電池を氷点温度以下となる環境に放置すれば、固体高分子電解質が含む水分が凍結し、燃料電池を劣化させる可能性がある。
【０００４】
このため、固体高分子電解質型燃料電池を搭載した燃料電池車両は、何らかの保温手段を必要とする。このような燃料電池システムの保温手段として、再生式吸湿発熱体を用いた特許文献１記載の技術が知られている。この従来技術によれば、低温環境下での非走行時などに、燃料電池システムが凍結するのを防止するために、再生式吸湿発熱体に水分を供給して発熱させ、この熱により燃料電池システムを氷点温度以上に保温している。
【特許文献１】特開２００１−３５１６５３号公報（第３頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術にあっては、発熱体へ蒸気を供給するための専用の加湿器と、加湿器に水を供給するためのタンクを備えており、そのためのスペースが必要であるという問題点があった。
【０００６】
また、保温動作は非走行時を想定しているが、温度監視、加湿器作動のためにバッテリー電力など走行に必要なエネルギーを利用しなければならないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するため、セルスタックを備えた第一の燃料電池システムと、吸湿により発熱する一方乾燥により発熱前の状態に再生する吸湿発熱繊維からなる再生式吸湿発熱体と、少なくとも前記セルスタックおよび前記再生式吸湿発熱体を収容するケーシングと、発電により発生した蒸気を前記ケーシング内部へ供給する第二の燃料電池システムと、前記ケーシング内へ乾燥空気を供給するドライヤーと、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、再生式吸湿発熱体を加湿する水分は第二の燃料電池システムの生成水を利用するので、再生式吸湿発熱体を加湿するための加湿器および加湿用の水タンクを備える必要がなくなり、燃料電池システムを小型軽量化することができるという効果がある。
【０００９】
また本発明によれば、第二の燃料電池システム自体も電力供給に寄与できるため、スペース効率の悪化を抑制できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る燃料電池システムの実施形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【００１１】
図１において、本発明に係る燃料電池システムは、主たる電源である第一の燃料電池システム１と、第一の燃料電池システム１へ発電による生成水を含む湿潤空気を供給する第二の燃料電池システム２とを備え、第二の燃料電池システム２は、図示しない電気コネクタおよび配管コネクタにより、第一の燃料電池システム１から脱着可能となっている。このため、保温の必要がない環境下では、第２の燃料電池システム２を取り外すことができるので、重量軽減、省スペース化できる。
【００１２】
第一の燃料電池システム１は、固体高分子型電解質を備えた燃料電池本体であるセルスタック１０と、セルスタック１０へ水素を供給する水素供給系１１と、セルスタック１０へ空気を供給する空気供給系１２と、セルスタック１０で発電された電力を調整して図示しない外部の負荷へ供給するとともに余剰電力を二次電池６０へ充電する電力調整器１３と、セルスタック１０を収容する樹脂等で製作されたケーシング１４と、ケーシング１４内でセルスタック１０の表面に配設された再生式吸湿発熱体１５と、再生式吸湿発熱体１５とケーシング１４の内壁との間の空気層１６と、セルスタック１０の温度を検出する温度センサ１７と、ケーシング１４の内部湿度を検出する湿度センサ１８と、ケーシング１４の内部へ乾燥空気５１を供給するドライヤー５０と、ドライヤー５０へ電力供給する二次電池６０と、外部電源７１から供給される電力をドライヤー５０に供給するコンバータ７０とを備えている。
【００１３】
再生式吸湿発熱体１５は、吸湿発熱繊維として各繊維会社から発売されているもので、例えば、ミズノ株式会社と東洋紡績株式会社により協同開発されたブレスサーモ（商品名）、東洋紡績株式会社製モイスケア（商品名）、富士紡績株式会社製エコウォーム（商品名）、三菱レイヨン株式会社製ルネス（商品名）、東レ株式会社製ウォームセンサ（商品名）等を利用可能である。
【００１４】
図３、図４は、吸湿発熱繊維の発熱原理を説明する図である。図３に示すように吸湿発熱繊維は、吸湿することにより発熱し、逆に乾燥環境下では放湿して元の状態に戻る性質がある。吸湿時の発熱には、ウールや木綿のような天然繊維が吸湿する際に放出する水蒸気の凝集熱（蒸発熱の逆向きの熱）以外に、図４に示す親水基の吸湿による水和熱が発生すると考えられ、全発熱量は凝集熱の数倍に達するものが知られている。この親水基は、繊維素材自体が備えていたり、繊維の表面を化学処理することにより形成される。
【００１５】
第二の燃料電池システム２は、メタノールを燃料とするダイレクトメタノール型燃料電池２１と、このダイレクトメタノール型燃料電池２１にメタノールを供給するとともにカートリッジ式に脱着可能なメタノールタンク２２と、ダイレクトメタノール型燃料電池２１の発電により発生した蒸気を含む湿潤空気を第一の燃料電池システム１のケーシング１４内へ供給する蒸気供給装置２３と、コントローラ２５とを備えている。              
コントローラ２５は、特に限定されないが本実施形態では、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成され、コントローラ２５の動作は、プログラムＲＯＭ内に記憶された制御プログラムを実行することにより実現される。
【００１６】
第二の燃料電池システム２のコントローラ２５には入力装置として、第一の燃料電池システム１の温度センサ１７および湿度センサ１８が接続されている。また、コントローラ２５には出力装置として、ダイレクトメタノール型燃料電池２１、蒸気供給装置２３、およびドライヤー５０が接続されている。
【００１７】
コントローラ２５は、温度センサ１７および湿度センサ１８の検出値に基づいて、ダイレクトメタノール型燃料電池２１の発電制御、蒸気供給装置２３の制御、およびドライヤー５０の制御を行う。これにより、ダイレクトメタノール型燃料電池２１の発電による生成水の蒸気２４を含む湿潤空気を蒸気供給装置２３からケーシング１４の内部へ供給することができる。この蒸気２４をケーシング１４の内部に配置された再生式吸湿発熱体１５が吸湿することにより発熱して、セルスタック１０を保温し凍結防止することができるようになっている。
【００１８】
次に、上記構成による本燃料電池システムの動作について説明する。
【００１９】
第一の燃料電池システム１は、水素を水素供給系１１によりセルスタック１０に供給するとともに、空気を空気供給系１２によりセルスタック１０に供給することにより電気を発生し、電力調整部１３を介して、また電力調整部１３から一旦二次電池６０へ送電し、燃料電池システム外部へ電力を供給できるようになっている。
【００２０】
第二の燃料電池システム２のコントローラ２５は、第一の燃料電池システム１のケーシング１４の内壁またはセルスタック１０の外壁に設置された温度センサ１７により温度を監視し、所定の温度（例えば０℃）以下になったときに、ダイレクトメタノール型燃料電池２１の発電を行うように制御する。このように本実施形態によれば、再生式吸湿発熱体１５へ水蒸気を供給する水蒸気供給源を低温環境での作動性に優れたダイレクトメタノール型燃料電池とすることで、安定した作動が行える。
【００２１】
またコントローラ２５は、第一の燃料電池システム１のケーシング１４の内壁に設置された湿度センサ１８により湿度をフィードバックすることで、所定の湿度（例えば９８％）になったときに、ダイレクトメタノール型燃料電池２１の発電を停止させる。
【００２２】
続いてコントローラ２５は、二次電池６０の電力６１を利用してドライヤー５０を作動させ、ドライヤーにより生成された乾燥空気５１をケーシング１４内へ送風することで再生式吸湿発熱体１５を乾燥、再生することができる。
【００２３】
ドライヤー５０へは、コンバータ７０を介して外部電源７１より電力を供給でき、第二の燃料電池システム２が使用できない場合でも、ケーシング１４の内部へ温風を送り保温することができるようになっている。また、セルスタック１０が凍結した場合でも、外部電源７０の電力を利用してドライヤー５０を駆動し熱を供給できるので、セルスタック１０を解凍することができる。
【００２４】
図２は、第２の燃料電池システム２のコントローラ２５の制御内容を説明するフローチャートである。
【００２５】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、コントローラ２５は、温度センサ１７からセルスタック１０の温度またはケーシング１４の内部温度の検出値Ｔを読み込む。次いでＳ１２で、温度Ｔが所定温度Ｔａより低いか否かを判定する。ここで、所定温度Ｔａは、セルスタック１０が凍結する虞があると判断する温度で、例えば、０〔℃〕とする。Ｓ１２の判定がＮｏの場合、即ち温度Ｔが所定温度Ｔａ以上である場合には、Ｓ１０へ戻る。Ｓ１２の判定がＹｅｓの場合、Ｓ１４へ進み、第二の燃料電池システム２のダイレクトメタノール型燃料電池２１を起動し発電を開始させる。次いで、Ｓ１６でダイレクトメタノール型燃料電池２１の発電による生成水を含む湿潤空気を蒸気供給装置２３からケーシング１４へ供給し、再生式吸湿発熱体１５に吸湿させて発熱させる。この発熱により、ケーシング１４の内部が保温され、セルスタック１０の凍結が防止される。同時に、ダイレクトメタノール型燃料電池２１の発電電力で二次電池６０を充電する。
【００２６】
次いでＳ１８で、コントローラ２５は、温度センサ１７からセルスタック１０の温度またはケーシング１４の内部温度の検出値Ｔを読み込む。次いでＳ２０で、温度Ｔが所定温度Ｔａより高いか否かを判定する。温度Ｔが所定温度Ｔａより高ければＳ２４へ進む。
【００２７】
Ｓ２０の判定がＮｏであれば、即ち温度Ｔが所定温度Ｔａ以下であれば、Ｓ２２へ進み、コントローラ２５は、湿度センサ１８からケーシング１４内部の湿度Ｍを読み込み、湿度Ｍが第１の所定湿度Ｍａを超えているか否かを判定する。
【００２８】
ここで、第１の所定湿度Ｍａは、再生式吸湿発熱体１５が十分吸湿したと判定される湿度であり、使用した吸湿発熱繊維の種類に従って決定されるものであるが、例えば相対湿度で９８〔％〕とする。Ｓ２２の判定がＮｏであれば、再生式吸湿発熱体１５の発熱を続けさせるために、Ｓ１６へ戻る。Ｓ２２の判定がＹｅｓであれば、Ｓ２４へ進む。
【００２９】
Ｓ２４では、第二の燃料電池システム２のダイレクトメタノール型燃料電池の発電を停止させ、Ｓ２６でドライヤー５０を駆動して乾燥空気５１をケーシング１４の内部へ供給する。
【００３０】
次いで、Ｓ２８で、コントローラ２５は、湿度センサ１８からケーシング１４内部の湿度Ｍを読み込み、Ｓ３０で、湿度Ｍが第２の所定湿度Ｍｂを下回っているか否かを判定する。ここで、第２の湿度Ｍｂは、再生式吸湿発熱体１５が十分乾燥して再生されたと判断される湿度であり、使用した吸湿発熱繊維の種類に従って決定されるものであるが、例えば相対湿度で２０〔％〕とする。
【００３１】
Ｓ３０の判定がＮｏの場合、即ち再生式吸湿発熱体１５の再生が完了していなければ、Ｓ２６へ戻り、乾燥空気５１の供給を続ける。Ｓ３０の判定がＹｅｓであれば、Ｓ３２へ進み、ドライヤー５０を停止させて、Ｓ１０の温度監視へ戻る。
【００３２】
以上説明した実施形態によれば、ケーシング内部の温度をフィードバックして再生式吸湿発熱体への水分の供給、停止を制御することができるので、ケーシング内またはセルスタック体を所定の温度に保温することができる。
【００３３】
また、ケーシング内部の湿度の測定により再生式吸湿発熱体の湿潤、乾燥の程度をフィードバックすることができるので、再生式吸湿発熱体の発熱、再生を最適に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施形態における燃料電池保温動作を説明する制御フローチャートである。
【図３】吸湿発熱繊維の発熱作用を説明するための概念図である。
【図４】吸湿発熱繊維の発熱原理を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…第一の燃料電池システム
２…第二の燃料電池システム
１０…セルスタック
１１…水素供給系
１２…空気供給系
１３…電力調整部
１４…ケーシング
１５…再生式吸湿発熱体
１６…空気層
１７…温度センサ
１８…湿度センサ
２１…ダイレクトメタノール型燃料電池
２２…メタノールタンク
２３…蒸気供給装置
２４…蒸気
２５…コントローラ
５０…ドライヤー
５１…乾燥空気
６０…二次電池
６１…電力
７０…コンバータ
７１…外部電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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