(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、低温始動を迅速に行うことを可能にする。【解決手段】温調用流体循環装置４６は、反応ガスを燃焼させて温調用流体を加熱する燃焼器６８と、前記燃焼器６８により加熱された前記温調用流体により燃料電池スタック１２を暖機する温調用流体供給管路７０と、前記燃焼器６８から排出される廃熱ガスにより少なくとも補器類を暖機する第１廃熱ガス供給路８６と、前記廃熱ガスにより蓄電装置９６を暖機する第２廃熱ガス供給路９４とを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを運転するために使用される補器類と、電気エネルギを貯蔵及び供給可能な蓄電装置とを備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタック内に温調用流体を循環させる温調用流体循環装置を備え、
前記温調用流体循環装置は、前記発電セルの発電反応に使用される反応ガスを燃焼させて前記温調用流体を加熱する燃焼器と、
前記温調用流体を加熱する際に前記燃焼器から排出される廃熱ガスを、少なくとも前記補器類に供給して該補器類を暖機する第１廃熱ガス供給路と、
前記廃熱ガスを前記蓄電装置に供給して該蓄電装置を暖機する第２廃熱ガス供給路と、
を設けることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第２廃熱ガス供給路は、前記蓄電装置を冷却するために使用される冷却ダクトにより構成されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記廃熱ガスを利用して車室内の昇温を行うための熱交換手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを運転するために使用される補器類と、電気エネルギを貯蔵及び供給可能な蓄電装置とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備える。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
ところで、この種の燃料電池では、イオン導電性を維持するために、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。さらに、カソード側電極では、上記のように反応による生成水が存在する一方、アノード側電極では、前記生成水が逆拡散し易い。このため、燃料電池を氷点下等の低温で始動させようとすると、前記燃料電池内の水分に凍結が発生し易く、該燃料電池内で電気化学反応が行われ難いという不具合が指摘されている。
【０００５】
そこで、この種の問題を解決するために、例えば、特許文献１の固体高分子型燃料電池発電システムが知られている。この固体高分子型燃料電池発電システムは、図６に示すように、燃料電池スタック１を備え、この燃料電池スタック１には、酸化剤ガス供給手段２から酸化剤ガスである、例えば、空気が供給されるとともに、燃料ガス供給手段３から燃料ガスである、例えば、水素ガスが供給される。
【０００６】
燃料電池スタック１を構成する図示しない冷却板には、不凍液供給手段４を介して不凍液が循環供給される。不凍液供給手段４は、不凍液ポンプ５を備え、この不凍液ポンプ５から不凍液加熱手段６に不凍液が供給されるとともに、この不凍液は、前記不凍液加熱手段６によって加熱された後、燃料電池スタック１に供給されて前記燃料電池スタック１の暖機を行う。
【０００７】
不凍液加熱手段６は、燃焼器６ａと、この燃焼器６ａからの燃焼廃ガスと不凍液との熱交換を行う熱交換器６ｂとを備えている。不凍液加熱手段６には、燃焼廃ガスを供給するための燃焼廃ガス供給経路７が設けられるとともに、この燃焼廃ガス供給経路７は、燃料電池スタック１の周囲を囲むように設けられている燃焼廃ガス流通経路８に連通している。
【０００８】
このため、不凍液加熱手段６から排出された燃焼廃ガスは、燃焼廃ガス供給経路７を通って燃焼廃ガス流通経路８に導かれ、この燃焼廃ガス流通経路８内で燃料電池スタック１を加熱した後、外部へと排出される。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−１６４２３３号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般的に、上記の固体高分子型燃料電池発電システムでは、特に燃料電池スタック１の起動時に補器類に電力を供給するとともに、必要に応じて前記燃料電池スタックにより発電された電気エネルギを貯めるために、キャパシタやバッテリ等の蓄電装置が使用されている。
【００１１】
ところが、蓄電装置は、温度によって出力が変動することが知られており、低温になるに従って、出力が低下してしまう。このため、特許文献１のように、燃料電池スタック１の周囲のみを加熱する構造では、低温時に蓄電装置の出力低下に起因して、固体高分子型燃料電池発電システムを短時間で良好に始動させることができないという問題がある。
【００１２】
しかも、燃料電池スタック１の補器類は、低温始動時に凍結するおそれがある。これにより、特許文献１では、補器類の暖機に相当な時間が必要であり、低温始動を迅速に行うことができないという問題がある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、低温始動を迅速に行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータにより挟持された発電セルを設け、前記発電セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを運転するために使用される補器類と、電気エネルギを貯蔵及び供給可能な蓄電装置とを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタック内に温調用流体を循環させる温調用流体循環装置を備えている。
【００１５】
温調用流体循環装置は、発電セルの発電反応に使用される反応ガスを燃焼させて温調用流体を加熱する燃焼器と、前記温調用流体を加熱する際に前記燃焼器から排出される廃熱ガスを、少なくとも前記補器類に供給して該補器類を暖機する第１廃熱ガス供給路と、前記廃熱ガスを前記蓄電装置に供給して該蓄電装置を暖機する第２廃熱ガス供給路とを設けている。
【００１６】
また、第２廃熱ガス供給路は、蓄電装置を冷却するために使用される冷却ダクトにより構成されることが好ましい。さらに、廃熱ガスを利用して車室内の昇温を行うための熱交換手段を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃焼器から排出される廃熱ガスを利用して補器類及び蓄電装置を迅速に暖機することができ、前記補器類の解凍や前記蓄電装置の出力特性の向上が容易に図られる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池システムの低温始動特性を良好に向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図であり、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１４を矢印Ａ方向に積層して構成される。
【００１９】
発電セル１４は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６と、この電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１及び第２金属セパレータ１８、２０とを備える。電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２と、該固体高分子電解質膜２２を挟持して保持するアノード側電極２４及びカソード側電極２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ１８、２０に代替して、例えば、カーボンセパレータ（図示せず）を用いてもよい。
【００２０】
アノード側電極２４及びカソード側電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に支持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とをそれぞれ有する。
【００２１】
第１金属セパレータ１８とアノード側電極２４との間には、このアノード側電極２４に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス流路２８が形成される。第２金属セパレータ２０とカソード側電極２６との間には、このカソード側電極２６に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路３０が形成される。第１及び第２金属セパレータ１８、２０間には、発電セル１４の温調、主に、冷却を行うための温調用流体を供給するための温調用流体流路３２が形成される。
【００２２】
燃料電池スタック１２の両端には、エンドプレート３４ａ、３４ｂが配置されて、前記エンドプレート３４ａ、３４ｂ間に締め付け荷重が付与される。エンドプレート３４ａ側には、各発電セル１４の燃料ガス流路２８に燃料ガスを供給するための燃料ガス入口マニホールド３６ａと、前記燃料ガス流路２８を通過した未使用の燃料ガスを含むオフガスを排出するための燃料ガス出口マニホールド３６ｂと、酸化剤ガス流路３０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口マニホールド３８ａと、前記酸化剤ガス流路３０を通過した未使用の酸化剤ガスを含むオフガスを排出するための酸化剤ガス出口マニホールド３８ｂと、温調用流体流路３２に温調用流体を供給するための温調用流体入口マニホールド４０ａと、前記温調用流体流路３２を通過して温調を行った後の該温調用流体を排出するための温調用流体出口マニホールド４０ｂとが形成される。
【００２３】
なお、第１の実施形態では、エンドプレート３４ａにそれぞれの流体の入口マニホールド及び出口マニホールドを設けているが、例えば、前記エンドプレート３４ａに入口マニホールドを設ける一方、エンドプレート３４ｂに出口マニホールドを設けてもよい。
【００２４】
燃料電池スタック１２には、燃料ガス入口マニホールド３６ａ及び燃料ガス出口マニホールド３６ｂに連通する燃料ガス供給装置４２と、酸化剤ガス入口マニホールド３８ａ及び酸化剤ガス出口マニホールド３８ｂに連通する酸化剤ガス供給装置４４と、温調用流体入口マニホールド４０ａ及び温調用流体出口マニホールド４０ｂに連通する温調用流体循環装置４６とが接続される。
【００２５】
燃料ガス供給装置４２は、高圧水素を貯留する燃料タンク（水素タンク）４８を備え、この燃料タンク４８に一端が接続される燃料ガス管路５０には、レギュレータ５２、バルブ５４及びエゼクタ５６が接続される。燃料ガス管路５０は、燃料電池スタック１２の燃料ガス入口マニホールド３６ａに連通する一方、燃料ガス出口マニホールド３６ｂに一端を接続する燃料ガス循環路５８は、エゼクタ５６に接続される。
【００２６】
酸化剤ガス供給装置４４は、空気を圧縮して供給するためのコンプレッサ（又はスーパーチャージャ）６０を備え、このコンプレッサ６０と燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口マニホールド３８ａとは、酸化剤ガス管路６２により連通する。酸化剤ガス管路６２には、加湿器６４がバルブ６６を介して接続自在である。
【００２７】
温調用流体循環装置４６は、燃料ガスと空気との燃焼により温調用流体を加熱（熱交換）するための燃焼器６８を備える。この燃焼器６８と燃料電池スタック１２の温調用流体入口マニホールド４０ａとは、温調用流体供給管路７０により連通するとともに、この温調用流体供給管路７０にポンプ７２が配設される。燃料電池スタック１２の温調用流体出口マニホールド４０ｂと燃焼器６８とは、温調用流体排出管路７４により連通し、温調用流体供給管路７０と前記温調用流体排出管路７４とにより温調用流体循環路が構成される。
【００２８】
燃焼器６８には、バルブ５４を介して燃料供給管路７６が接続されるとともに、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口マニホールド３８ｂに接続された排出エア供給管路７８が接続される。燃焼器６８には、温調用流体を加熱する際に発生する廃熱ガスを排出するための廃熱ガス管路８０が設けられ、この廃熱ガス管路８０は、バルブ８２を介して排出路８４と第１廃熱ガス供給路８６とに接続される。
【００２９】
第１廃熱ガス供給路８６は、燃料電池スタック１２及び補器類を囲繞するカバー部材８８に接続されてこのカバー部材８８内に開放される。カバー部材８８は断熱材を備え、その内部には、補器類、例えば、レギュレータ５２、バルブ５４、６６、エゼクタ５６、加湿器６４及びポンプ７２等が収容される。カバー部材８８には、排気用管路９０が接続される。
【００３０】
第１廃熱ガス供給路８６には、バルブ９２（必要に応じて配設される）を介して第２廃熱ガス供給路９４が接続される。この第２廃熱ガス供給路９４は、キャパシタやバッテリ等の蓄電装置（Ｅ／Ｓ）９６に接続される。
【００３１】
燃料電池スタック１２の近傍には、燃料電池システム１０を構成する部品の表面温度を検出するために温度センサ９８が配設される。
【００３２】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３３】
先ず、燃料電池システム１０が通常運転される際には、燃料ガス供給装置４２を構成する燃料タンク４８から燃料ガス管路５０に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、レギュレータ５２を介して所定の圧力に調整された後、エゼクタ５６を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口マニホールド３６ａに供給される。
【００３４】
燃料ガスは、各発電セル１４を構成する燃料ガス流路２８に供給され、アノード側電極２４に沿って移動した後、燃料ガス出口マニホールド３６ｂから燃料ガス循環路５８に排出される。この排出されたオフガスは、エゼクタ５６を介して、再度、燃料ガス入口マニホールド３６ａに供給される。
【００３５】
一方、酸化剤ガス供給装置４４を構成するコンプレッサ６０の作用下に、酸化剤ガス管路６２に酸化剤ガスとして空気が供給される。この空気は、必要に応じて加湿器６４に送れられた後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口マニホールド３８ａから各発電セル１４の酸化剤ガス流路３０に供給される。空気は、カソード側電極２６に沿って移動した後、酸化剤ガス出口マニホールド３８ｂから排出エア供給管路７８を介して燃焼器６８に送られ、廃熱ガス管路８０を通って排出路８４から外部に排出される。
【００３６】
このため、各発電セル１４を構成する電解質膜・電極構造体１６では、アノード側電極２４に供給される燃料ガスと、カソード側電極２６に供給される空気とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３７】
また、温調用流体循環装置４６では、ポンプ７２の作用下に温調用流体が燃料電池スタック１２の温調用流体入口マニホールド４０ａから温調用流体流路３２に供給される。この温調用流体は、発電セル１４を冷却（温調）した後、温調用流体出口マニホールド４０ｂから排出されて循環される。
【００３８】
次いで、燃料電池システム１０を低温始動する際について、図２に示すフローチャートに沿って説明する。
【００３９】
先ず、燃料電池スタック１２が暖機中であるか否かが判断される（ステップＳ１）。この燃料電池スタック１２が暖機中でないと判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ２に進んで、システム暖機用のバルブ８２がオフされる。この状態では、上記の通常運転が行われる。
【００４０】
一方、燃料電池スタック１２が暖機中であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、温度センサ９８により検出される温度が暖機閾値よりも高いか否かが判断される。そして、検出温度が暖機閾値以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、システム暖機用のバルブ８２がオンされる。
【００４１】
ここで、燃料電池スタック１２は暖機中である。このため、図１に示すように、燃焼器６８には、燃料ガス供給装置４２から燃料ガスが供給されるとともに、排出エア供給管路７８からオフガスエアが供給されて燃焼が行われ、温調用流体の加熱が行われている。
【００４２】
従って、燃焼器６８から廃熱ガス管路８０には、比較的高温の廃熱ガスが排出されており、この廃熱ガスは、第１廃熱ガス供給路８６からカバー部材８８内に供給される。これにより、補器類及び燃料ガス管路５０を含む配管類を、直接、暖機することができ、前記補器類及び前記配管類の暖機速度が一挙に向上するという利点が得られる。
【００４３】
しかも、比較的高温の廃熱ガスは、第２廃熱ガス供給路９４を介して蓄電装置９６に送られ、この蓄電装置９６を直接暖機している。その際、図３に示すように、蓄電装置９６は、温度に対して出力が変動しており、低温時の出力が相当に低下している。このため、廃熱ガスにより蓄電装置９６を直接暖機することにより、この蓄電装置９６の出力特性が一挙に向上し、前記蓄電装置９６は、短時間で所望の性能を発揮することが可能になる。
【００４４】
これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池システム１０の低温始動特性を良好に向上させることができるという効果が得られる。
【００４５】
次いで、燃料電池スタック１２の温度が暖機閾値を超えると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、バルブ８２がオフされる。従って、廃熱ガスが排出路８４に排出されるとともに、燃料電池システム１０の暖機運転が終了し、上記の通常運転に移行することが可能になる。
【００４６】
なお、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口マニホールド３８ｂに排出された排出エアを燃焼器６８に供給しているが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス管路６２から酸化剤ガス供給管（図示せず）を分岐し、燃焼器６８に直接空気を供給してもよい。
【００４７】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。
【００４８】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４９】
燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１２に燃料ガス供給装置１０２、酸化剤ガス供給装置１０４及び温調用流体循環装置４６が接続される。燃料ガス供給装置１０２は、前述した燃料ガス供給装置４２と同一に構成してもよく、あるいは、通常使用されている種々の構成を採用してもよい。酸化剤ガス供給装置１０４は、同様に前述した酸化剤ガス供給装置４４と同様に構成してもよく、あるいは、通常使用されている種々の構成を採用してもよい。
【００５０】
蓄電装置９６には、この蓄電装置９６を冷却するための冷却ダクト１０６が設けられており、第２廃熱ガス供給路９４が前記冷却ダクト１０６に連通する。すなわち、冷却ダクト１０６は、第２廃熱ガス供給路９４の少なくとも一部を構成する。
【００５１】
従って、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、蓄電装置９６に設けられている冷却ダクト１０６に廃熱ガスが供給されるため、前記蓄電装置９６の暖機構成が有効に簡素化されるという利点がある。
【００５２】
図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１２０の概略構成説明図である。
【００５３】
燃料電池システム１２０では、燃焼器６８に接続されている廃熱ガス管路８０にバルブ１２２を介して排出路８４、第１廃熱ガス供給路８６及び第３廃熱ガス供給路１２４が接続可能である。この第３廃熱ガス供給路１２４は、熱交換器１２６に接続されており、前記熱交換器１２６に供給される廃熱ガスとの間で熱交換を行った加熱エアは、管路１２８を介して図示しない車室に供給される。
【００５４】
これにより、第３の実施形態では、燃焼器６８から排出される廃熱ガスを利用して車室内を温めることができ、廃熱ガスの有効利用が一層良好に図られるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの低温始動を説明するフローチャートである。
【図３】蓄電装置の温度に対する出力特性の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図６】特許文献１の固体高分子型燃料電池発電システムの構成説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０、１００、１２０…燃料電池システム    １２…燃料電池スタック
１４…発電セル                            １６…電解質膜・電極構造体
１８、２０…金属セパレータ                ２２…固体高分子電解質膜
２４…アノード側電極                      ２６…カソード側電極
２８…燃料ガス流路                        ３０…酸化剤ガス流路
３２…温調用流体流路                      ３４ａ、３４ｂ…エンドプレート
３６ａ…燃料ガス入口マニホールド          ３６ｂ…燃料ガス出口マニホールド
４０ａ…温調用流体入口マニホールド        ４０ｂ…温調用流体出口マニホールド
４２、１０２…燃料ガス供給装置            ４４、１０４…酸化剤ガス供給装置
４６…温調用流体循環装置                  ４８…燃料タンク
５０…燃料ガス管路                        ５２…レギュレータ
５４、６６、８２、１２２…バルブ          ５６…エゼクタ
５８…燃料ガス循環路                      ６０…コンプレッサ
６２…酸化剤ガス管路                      ６４…加湿器
６８…燃焼器                              ７０…温調用流体供給管路
７４…温調用流体排出管路                  ７６…燃料供給管路
７８…排出エア供給管路                    ８０…廃熱ガス管路
８４…排出路                              ８６、９４、１２４…廃熱ガス供給路
８８…カバー部材                          ９０…排気用管路
９６…蓄電装置                            ９８…温度センサ
１２６…熱交換器                          １２８…管路
【図１】
2006032147.tif 000003
【図２】
2006032147.tif 000004
【図３】
2006032147.tif 000005
【図４】
2006032147.tif 000006
【図５】
2006032147.tif 000007
【図６】
2006032147.tif 000008