(57)【要約】【課題】燃料電池のスタックを加熱保温して凍結を防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池セルを複数積層させて構成したスタック２と、スタック２を格納するケーシング３と、ケーシング３の外周部に設置されたヒータ４と、ケーシング３の外周を覆う外部断熱材５とを備え、ヒータ４によってケーシング３を加熱し、熱伝導によってスタック２を加温するようにしたので、構造が簡単でスタック２全体を均一に加熱することができるようにしたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池セルを複数積層させて構成したスタックを備える燃料電池システムにおいて、
前記スタックを格納するケーシングと、
前記ケーシングの外周部に設置された加熱手段と、
前記ケーシングの外周を覆う断熱手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ケーシングの温度を検出する温度検出手段を備え、前記温度検出手段の検出値に基づいて前記加熱手段を制御す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。
【請求項３】
前記スタックと前記ケーシングとの間に空間を設け、前記スタックは断熱効果のある固定手段によって前記ケーシングに固定されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加熱手段は、前記ケーシングの角部近傍に設置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加熱手段は、前記ケーシングのブラケットに設けられた取り付け溝に前記ケーシングの外部から設置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記温度検出手段は、前記加熱手段の取り付け溝近傍と前記ケーシング中央の底部に設置されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記温度検出手段により氷点下の温度が検出されたときには、前記加熱手段の出力を上昇させることを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記温度検出手段の検出値が所定値以下になったときには、前記加熱手段をＯＮすることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記加熱手段をＯＮしても前記温度検出手段による検出値が氷点下以上に上昇しなかったときには、インジケータを点灯させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ケーシングは、アルミニウムあるいはアルミニウム合金で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記断熱手段は、発泡体ゴムあるいは発泡樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記断熱手段は、真空構造を有する断熱材で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記固定手段は、熱硬化性樹脂、セラミックあるいはシリケート系材料によって形成されていることを特徴とする請求項３から請求項１２のいずれか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、特に燃料電池セルの保温及び凍結防止を行うためのヒータの設置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から燃料電池では、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータで挟持してセルが構成され、このセルを複数積層させてスタックが構成されている。
【０００３】
しかし、燃料電池では低温時に発電効率が低下するために、低温時における始動性が大きな課題となっており、従来から始動性を向上させるための燃料電池が提案されている。
【０００４】
ここで、このような低温時における始動性を向上させた燃料電池の従来例として、例えば特開２００２−３１３３９１号公報（特許文献１）が開示されている。
【０００５】
この従来例では、固体高分子電解質膜の両側にアノード電極とカソード電極とを設け、さらに各電極の外側に反応ガス通路を設けてセルを構成し、このセルの発電面のうちの一部の領域にあたる冷却液通路に電気ヒータを設けている。
【０００６】
そして、燃料電池の低温起動時には電気ヒータをＯＮしてセルを局所的に加熱し、局所発電を行うようにしている。
【特許文献１】特開２００２−３１３３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例では、冷却液通路にヒータを設置しているので、冷却液の圧力損失が大きくなってしまい、高負荷運転時に他の冷却液通路の冷却水が減少してしまい、セル間の温度分布が不均一になってしまうという問題点があった。
【０００８】
また、樹脂を器材とした高分子電解質膜の側にヒータが位置しているので、ヒータの出力を大きくすると、高分子電解質膜の劣化を促進してしまうという問題点もあった。したがって、高分子電解質膜を劣化させずに十分な加熱をするためには低出力で表面積の大きなヒータを選定しなくてはならない。
【０００９】
さらには、ヒータの故障時には実質的に交換が不可能であるという問題点もあった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池セルを複数積層させて構成したスタックを備える燃料電池システムにおいて、前記スタックを格納するケーシングと、前記ケーシングの外周部に設置された加熱手段と、前記ケーシングの外周を覆う断熱手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムでは、スタックを格納するケーシングの外周部に加熱手段を設けて熱伝導によってケーシング内を加温するようにしたので、構造が簡単でスタック全体を均一に加熱することができる。また、高分子電解質膜を劣化させるような影響を与えることもなく、加熱手段が故障した場合でも容易に交換可能である。
【００１２】
また、ケーシングの外周を断熱手段で覆ったので、スタック全体を保温してスタックの凍結を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す断面図である。本実施例の燃料電池システム１は、燃料電池セルを複数積層させて構成したスタック２と、スタック２を格納するケーシング３と、ケーシング３の外周部に設置されたヒータ（加熱手段）４と、ケーシング３の外周を覆う外部断熱材（断熱手段）５と、スタック２をケーシング３に固定する断熱ワッシャー（固定手段）６とを備えている。
【００１５】
ここで、スタック２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池セルを複数積層させたもので、この燃料電池セルは固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟持し、さらにその外側を一対のセパレータで挟持して構成されている。
【００１６】
ケーシング３は、スタック２を格納する金属製の格納手段であって、車両フレーム７にブラケット８で固定されている。そして、内部に格納しているスタック２とケーシング３との間には空間が設けられており、断熱ワッシャー６でスタック２を固定している。また、ケーシング３を構成する材料としてはアルミニウムやアルミニウム合金を使用することによって、ケーシング３の伝熱性を向上させて、スタック２を加熱し易くし、スタック２内の温度差を小さくしている。なお、ブラケット８はケーシング３と一体に形成されていてもよいし、ケーシング３に別体で取り付けられたものでもよい。またブラケット８はケーシング３の周囲に複数箇所設置されている。
【００１７】
ヒータ４は、図２に示すように、ケーシング３の外周部に形成されたヒータ挿入部３ａに挿入して設置されている。またヒータ４は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ケーシング３の角部近傍に設置してもよい。図３（ａ）はヒータ４をケーシング３の外周角部に横置きに設置した例を示し、図３（ｂ）はヒータ４をケーシング３の外周角部に縦置きに設置した例を示している。さらに、図３（ｃ）はヒータ４をケーシング３の内周角部に縦置きした例を示している。このように、ヒータ４をケーシング３の角部近傍に設置した場合には、放熱速度の最も高い角部近傍を加熱することができ、局部的な温度低下を抑制することができる。ただし、図３（ａ）〜（ｃ）はヒータ４を取り付けるケーシング３の外周部分を簡略化して描いている。
【００１８】
また、図４に示すように、ケーシング３のブラケット８に設けられたヒータ挿入部８ａにヒータ４をケーシング３の外部から挿入するようにしてもよい。図４は、ブラケット８をケーシング３とは別体とした例について示している。このように、ヒータ４をブラケット８に設けられたヒータ挿入部８ａに設置するようにした場合には、構造的に簡素化することができる。さらに、ヒータ４はケーシング３の外周部とブラケット８の両方に設置するようにしてもよい。
【００１９】
外部断熱材５は、ケーシング３の外周を覆ってスタック２の保温を行っており、外部断熱材５を構成する材料としては、発泡体ゴムや発泡樹脂で形成してもよいし、あるいは図５に示すように、真空構造を有する断熱材１１で形成するようにしてもよい。この断熱材１１は、例えば図６に示すような手順で製作することができる。まず図６（ａ）に示すように、グラスウールなどの芯材１２をポリエチレン等のラミネートフィルム１２で包むように重ね合わせ、内部を真空引きする。これによって、図６（ｂ）に示すように、芯材１２の外周部はラミネートフィルム１２で覆われることになる。そして、外周に残った縁部１３ａを折り畳むことによって、図６（ｃ）に示すような真空構造の断熱材１１となる。ただし、真空構造を有する断熱材の構造は上記例に限定されるものではなく、他の構造を有する断熱材であってもよい。
【００２０】
このように、外部断熱材５を発泡体ゴムや発泡樹脂、あるいは真空構造を有する断熱材１１で形成することによって、断熱性を向上させて放熱を抑え、ヒータ４の消費電力を低減させることができる。
【００２１】
断熱ワッシャー６は、スタック２をケーシング３との間に空間ができるように固定しており、断熱効果のある材料で形成されている。とくに、熱硬化性樹脂やセラミックあるいはシリケート系材料によって形成することにより、耐荷重性に優れるとともに保温性能も向上させることができる。
【００２２】
このように構成された本実施例の燃料電池システム１において、図７に示すように温度センサ９を設置し、この温度センサ９の検出値に基づいてヒータ４を制御してスタック２の保温処理を行う。図７ではブラケット８のヒータ４の取り付け溝近傍とケーシング３の中央底部に温度センサ９を設置している。このように温度センサ９を設置したことによって、ヒータ４に最も近い位置の温度と最も遠い位置の温度とを検出できるので、スタック２の保温に必要な最低限の温度を検出でき、最小限の電力量でスタック２を加熱することができる。
【００２３】
次に、本実施例の燃料電池システム１によるスタック２の保温処理を図８に基づいて説明する。図８は本実施例の燃料電池システムによる保温処理を示すフローチャートである。
【００２４】
まず、温度センサ９により各部の温度を計測し（Ｓ３０１）、次に保温処理の停止指示信号が入力されているか否かを判定する（Ｓ３０２）。
【００２５】
そして、保温処理の停止指示信号が入力されているときには保温処理を終了し、入力されていないときには測定された温度が所定の最低温度以下であるか否かを判定する（Ｓ３０３）。ここで、所定の最低温度以下のときにはヒータ４に電源を供給してスタック２の加熱を行う（Ｓ３０４）。このように、温度センサ９の検出値が所定の最低温度以下になったときにヒータ４をＯＮするので、加熱による電力消費量を最小限に抑えることができる。
【００２６】
次に、ステップＳ３０４においてヒータ４に電源を供給したら、温度センサ９により氷点下の温度が検出されているか否かを判定する（Ｓ３０５）。ここで、氷点下の温度が検出されているときにはヒータ４の出力を上昇させてスタック２をさらに加熱し（Ｓ３０６）、氷点下の温度を検出していないときにはステップＳ３０１に戻って上述した処理を繰り返し行う。このように温度センサ９により氷点下の温度が検出されたときにはヒータ４の出力を上昇させるので、スタック２の凍結を防止することができる。
【００２７】
次に、ステップＳ３０６においてヒータ４の出力を上昇させたら、氷点下以上に温度が上昇したか否かを判定し（Ｓ３０７）、氷点下以上に上昇したときにはステップＳ３０１に戻って上述した処理を繰り返し行い、氷点下以上に上昇しなかったときにはインジケータを点灯させて氷点下であることを外部に報知してから（Ｓ３０８）ステップＳ３０１に戻って上述した処理を行うようにする。このように加熱しても温度が氷点下以上に上昇しなかったときにインジケータを点灯させるので、すでにスタック２が凍結していて起動不能の状況であることを外部に知らせることができ、無理やりに起動して燃料電池を破損させてしまうことを防止することができる。
【００２８】
一方、ステップＳ３０３において測定された温度が所定の最低温度以下でないときには、測定された温度が所定の最高温度以上であるか否かを判定する（Ｓ３０９）。ここで、測定された温度が所定の最高温度以上でないときにはステップＳ３０１に戻って再び上述した処理を行い、ステップＳ３０９において測定された温度が所定の最高温度以上のときには、ヒータ４の電源をＯＦＦしてスタック２の加熱を停止してから（Ｓ３１０）、ステップＳ３０１に戻って再び上述した処理を行う。
【００２９】
このようにして上述した処理を繰り返し行い、ステップＳ３０２において保温処理の停止指示信号の入力が検出されると、本実施例の燃料電池システム１による保温処理は終了する。
【００３０】
上述したように、本実施例の燃料電池システム１では、スタック２を格納するケーシング３の外周部にヒータ４を設けて熱伝導によりケーシング３内を加温するようにしたので、構造が簡単でスタック２全体を均一に加熱することができる。また、高分子電解質膜を劣化させるような影響を与えることもなく、ヒータ４が故障した場合でも容易に交換可能である。また、ケーシング３の外周を外部断熱材５で覆ったので、スタック２全体を保温してスタック２の凍結を防止することができる（請求項１の効果）。
【００３１】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、温度センサ９を設置し、この温度センサ９の検出値に基づいてヒータ４の制御を行うので、効率的にスタック２の保温及び加熱を行うことができる（請求項２の効果）。
【００３２】
また、本実施例の燃料電池システム１では、スタック２とケーシング３との間に空間を設けたことによってスタック２で発生した熱を放熱することができるとともに、スタック２を断熱効果のある断熱ワッシャー６でケーシング３に固定したので、低温時におけるスタック２の温度低下を抑えることができる（請求項３の効果）。
【００３３】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、ヒータ４をケーシング３の角部近傍に設置したので、放熱速度の最も高い角部近傍を加熱することができ、局部的な温度低下を抑制することができる（請求項４の効果）。
【００３４】
また、本実施例の燃料電池システム１では、ヒータ４をケーシング３のブラケット８に設けられた取り付け溝にケーシング３の外部から設置するようにしたので、構造的に簡素化することができる（請求項５の効果）。
【００３５】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、ヒータ４の取り付け溝近傍とケーシング３の中央底部に温度センサ９を設置し、温度センサ９の検出値に基づいてヒータ４の制御を行うので、最小限必要となる電力量でスタック２を加熱することができる（請求項６の効果）。
【００３６】
また、本実施例の燃料電池システム１では、温度センサ９により氷点下の温度が検出されたときにヒータ４の出力を上昇させるので、スタック２の凍結を防止することができる（請求項７の効果）。
【００３７】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、温度センサ９の検出値が所定の最低温度以下になったときにヒータ４をＯＮするので、加熱による電力消費量を最小限に抑えることができる（請求項８の効果）。
【００３８】
また、本実施例の燃料電池システム１では、ヒータ４をＯＮにしても温度センサ９による検出値が氷点下以上に上昇しなかったときにインジケータを点灯させるので、すでにスタック２が凍結していて起動不能の状況であることを外部に知らせることができ、無理やりに起動して燃料電池を破損させてしまうことを防止できる（請求項９の効果）。
【００３９】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、ケーシング３をアルミニウムあるいはアルミニウム合金で形成したので、伝熱性を向上させてスタック２内部の温度差を小さくすることができる（請求項１０の効果）。
【００４０】
また、本実施例の燃料電池システム１では、外部断熱材５を発泡体ゴムあるいは発泡樹脂で形成したので、断熱性を向上させて放熱を抑え、消費電力を低減させることができる（請求項１１の効果）。
【００４１】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、外部断熱材５を真空構造を有する断熱材で形成したので、断熱性を向上させて放熱を抑え、消費電力を低減させることができる（請求項１２の効果）。
【００４２】
また、本実施例の燃料電池システム１では、断熱ワッシャー６を熱硬化性樹脂、セラミックあるいはシリケート系材料によって形成したので、耐荷重性に優れるとともに保温性能を向上させることができる（請求項１３の効果）。
【００４３】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
燃料電池システムに係り、特に燃料電池セルの保温及び凍結防止を実現するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池システムの構成を示す断面図である。
【図２】ケーシングの外周部に形成したヒータ挿入部にヒータを挿入して設置した場合の構造を示す説明図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）はヒータをケーシングの角部近傍に設置した場合の構造を示す説明図である。
【図４】ヒータをブラケットに設けたヒータ挿入部に外部から挿入して設置した場合の構造を示す説明図である。
【図５】ケーシングの外周を真空構造を有する断熱材で覆った例を示す斜視図である
【図６】（ａ）〜（ｃ）は真空構造を有する断熱材の製作手順を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施例に係る燃料電池システムにおける温度センサの設置位置を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施例に係る燃料電池システムによる燃料電池スタックの保温処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１  燃料電池システム
２  スタック
３  ケーシング
３ａ，８ａ  ヒータ挿入部
４  ヒータ（加熱手段）
５  外部断熱材（断熱手段）
６  断熱ワッシャー（固定手段）
７  車両フレーム
８  ブラケット
９  温度センサ（温度検出手段）
１１  断熱材
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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