(57)【要約】【課題】低温起動に必要な時間とエネルギとを低減することができる燃料電池の暖機システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池の暖機システムは、燃料電池冷却系２を備えた燃料電池１が、その内部に燃料（水素）と空気の混合気Ｍによって触媒燃焼を起こす触媒燃焼通路１０４を有している。起動時に触媒燃焼通路に混合気を供給し、その触媒燃焼により燃料電池を暖機する。触媒燃焼通路は、燃料電池のセル１０の触媒層１４を利用してもよく、また燃料電池冷却系の冷却水通路１０３と兼用させるようにしてもよい。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の一方の面に燃料極を他方の面に空気極を有するセルをセパレータによって両側から挟み込み、燃料極側に燃料通路が、空気極側に空気通路が形成されている燃料電池が、その内部にさらに冷却水通路を有していて、冷却水が該冷却水通路を通って循環する燃料電池冷却系を備えている燃料電池の暖機システムにおいて、
前記燃料電池内に燃料と空気の混合気によって触媒燃焼を起こす触媒燃焼通路を設けることを特徴とする燃料電池の暖機システム。
【請求項２】
前記燃料電池内に専用の触媒燃焼通路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。
【請求項３】
前記燃料電池内の前記触媒燃焼通路が前記冷却水通路を兼用していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。
【請求項４】
電解質膜が形成された電解質膜の一方の面に燃料極を他方の面に空気極を有するセルをセパレータによって両側から挟み込み、燃料極側に燃料通路が、空気極側に空気通路が形成されている燃料電池が、その内部にさらに冷却水通路を有していて、冷却水が該冷却水通路を通って循環する燃料電池冷却系を備えている燃料電池の暖機システムにおいて、
前記電解質膜上の触媒中に燃料と空気の混合気を供給して、触媒燃焼させる触媒燃焼通路を形成することを特徴とする燃料電池の暖機システム。
【請求項５】
前記触媒燃焼通路の入口を局部的に暖めるグロープラグ等の補助熱源を装着することを特徴とする請求項１又は４に記載の燃料電池の暖機システム。
【請求項６】
電解質膜の一方の面に燃料極を他方の面に空気極を有するセルをセパレータによって両側から挟み込み、燃料極側に燃料通路が、空気極側に空気通路が形成されている燃料電池が、その内部にさらに冷却水通路を有していて、冷却水が該冷却水通路を通って循環する燃料電池冷却系を備えている燃料電池の暖機システムにおいて、
前記燃料電池冷却系が蓄熱器を備えていて、通常運転時に前記蓄熱器に蓄熱し、起動時に前記蓄熱器に貯められた熱を利用して前記燃料電池を暖めることを特徴とする燃料電池の暖機システム。
【請求項７】
電解質膜の一方の面に燃料極を他方の面に空気極を有するセルをセパレータによって両側から挟み込み、燃料極側に燃料通路が、空気極側に空気通路が形成されている燃料電池が、その内部にさらに冷却水通路を有していて、冷却水が該冷却水通路を通って循環する燃料電池冷却系を備えている燃料電池の暖機システムにおいて、
前記燃料電池の外部に触媒燃焼器が設けられ、起動時に前記触媒燃焼器が発熱し、この熱を冷却水又は空気或いは燃料と熱交換してこれらを加熱して、前記燃料電池に導入するようにすることを特徴とする燃料電池の暖機システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池停止時に、運転時よりも燃料電池自体の温度が低下する場合に適用される燃料電池の暖機システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題、特に大気汚染に対する配慮から電気自動車が注目されており、電源として蓄電池を搭載した電気自動車にあっては、既に実用化の段階に入っている。しかしながら、蓄電池式電気自動車は、電池の蓄電能力との関係で走行距離が比較的短く、また充電時間が長い等の問題を有しているため、これを解消し得る電気自動車として、蓄電池に代えて、水素等の燃料と酸素等の酸化性ガスとの電気化学的酸化還元反応により発電する燃料電池を搭載した燃料電池式自動車の実用化が待たれている。
【０００３】
燃料電池は、温度が低いと電解質膜上の触媒の活性が低くなるために電気化学的酸化還元反応が効率よく行われず十分に発電されない。この特性のため、燃料電池の起動時、特に冷機状態においては、燃料電池の温度が低いために燃料と酸素の反応が活発に行われず、未燃の水素が排出されてしまったり、始動直後に十分な車両の動力を得るのが困難であるという問題があった。
【０００４】
そのため、従来においては、燃料電池の冷却系の冷却水が貯められる貯水タンク、又は貯水タンクから燃料電池に向けて冷却水を供給する経路に、加熱手段を設け、この加熱手段によって始動冷機時に積極的に冷却水を加熱して燃料電池の暖機を促進し、これにより始動冷機時の発電効率を向上するようにした燃料電池の暖機システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−９４２０２号公報（第３，４頁、第１，３，７，９，１１図）
【０００６】
しかしながら、上記従来の燃料電池の暖機システムでは、熱を輸送する作動流体として冷却水を用いるため、停止時に燃料電池本体が冷え切った後の再起動時には、通常運転温度まで加熱するために、膨大なエネルギが必要となる。即ち、冷却系を循環する冷却水は、必要な冷却能力を確保するには大きな熱容量が必要であり、また、この貯水タンクには多量の冷却水が貯められる。このため膨大なヒータ電力を消費することになる上、ヒータ能力の大きなものを用いないと、暖機に時間がかかったり、外気温が低いときに十分に暖機できない。このように従来の暖機システムでは、短時間で起動することが困難であり、再起動時の効率も悪化するという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、低温起動に必要な時間とエネルギとを低減することができる燃料電池の暖機システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の燃料電池の暖機システムを提供する。
請求項１に記載の燃料電池の暖機システムは、燃料電池冷却系を備えた燃料電池が、その内部に燃料と空気の混合気によって触媒燃焼を起こす触媒燃焼通路を有しているものであり、これにより、燃料電池本体が冷え切った後の再起動時等において、この触媒燃焼通路に燃料と空気の混合気を流すことによる燃焼熱により、燃料電池の暖機を促進し、燃料電池の発電効率を向上することができる。
【０００９】
請求項２の該暖機システムは、燃料電池内に専用の触媒燃焼通路を設けたものであり、請求項３の該暖機システムは、燃料電池内の触媒燃焼通路が、燃料電池冷却系の冷却水通路を兼用するようにしたものである。この場合においても、請求項１と同様の作用効果を奏する。
【００１０】
請求項４に記載の燃料電池の暖機システムは、燃料電池冷却系を備えた燃料電池が、電解質膜の電解質膜上の触媒中に燃料と空気の混合気を供給して触媒燃焼させる触媒燃焼通路を形成するようにしたものである。この場合、触媒燃焼通路を別に設ける必要がないので構成を簡素化できる。
請求項５の該暖機システムは、触媒燃焼通路の入口を局部的に暖めるグロープラグ等の補助熱源を装着したものであり、これにより、極低温時のように触媒の活性が低くなり、触媒燃焼が困難である場合でも、補助熱源によって触媒燃焼通路の入口を局部的に暖めてやることができ、確実に触媒燃焼が生じる。
【００１１】
請求項６に記載の燃料電池の暖機システムは、燃料電池冷却系に蓄熱器を設け、通常運転時に蓄熱器内に蓄熱し、起動時に蓄熱器内に貯められた熱を利用して燃料電池を暖めるようにしたものである。これは触媒燃焼通路に代わって蓄熱器を設けたものであり、通常運転時に発生した熱を有効に利用することができる。
請求項７に記載の燃料電池の暖機システムは、燃料電池冷却系を備えた燃料電池が、その外部に触媒燃焼器が設けられ、起動時に触媒燃焼器で発生した熱によって、冷却水又は空気或いは燃料を加熱して燃料電池に導入するようにしたものであり、これにより、燃料電池を早期に暖め、活性化させることができ、短時間で起動させることができるようになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って本発明の実施の形態の燃料電池の暖機システムについて説明する。図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。燃料電池１のセル１０は、電解質膜１１の一方の面に触媒層１４を介して燃料極１２を、他方の面に触媒層１４を介して空気極１３を密着せしめてなり、このセル１０をカーボン等を板状に成形したセパレータ１５，１６とが挟持している。セパレータ１５，１６の燃焼極１２又は空気極１３側の面に形成した凹部により、燃料極１２側のセパレータ１５と燃料極１２とを通路壁面として燃料通路１０１が形成され、空気極１３側のセパレータ１６と空気極１３を通路壁面として空気通路１０２が形成されている。
【００１３】
燃料通路１０１には、一端側から燃料としての水素等Ｈが燃料電池１内に導入され、余剰水素が他端側から燃料電池１外に排出される。同様に空気通路１０２には、一端側から酸化剤としての空気又は酸素等Ａが燃料電池１内に導入され、反応水を含む余剰空気が他端側から燃料電池１外に排出される。
【００１４】
燃料電池１には、更に冷却水通路１０３が設けられており、燃料電池１を規定の温度状態に保つために、冷却水Ｗが冷却水通路１０３を通って流れる閉回路の燃料電池冷却系２が形成されている。この燃料電池冷却系は、ポンプ２１及びラジエータ２２を備えており、ポンプ２１から排出された冷却水Ｗがラジエータ２２によって冷却（燃料電池の熱を外部に放熱）され、燃料電池１の冷却水通路１０３を通ることによって燃料電池１を冷却し、その後、ポンプ２１に戻る循環系が形成される。なお、ラジエータ２２の前面或いは後面にはファン２３が設けられている。
【００１５】
更に燃料電池１には、本発明の特徴である触媒燃焼通路１０４が設けられている。この触媒燃焼通路１０４には、例えば水素と空気とを直前で混合した混合気Ｍを導入するようになっており、通路１０４の内壁に担持された触媒で混合気Ｍを燃焼して燃料電池１を加熱する。
なお、燃料電池１は、燃料極１２及び空気極１３のそれぞれにおける水素及び空気中の酸素との電気化学的酸化還元反応により、燃料極１２と空気極１３間に電圧が発生し、モータ、２次電池、インバータ等の電力供給先３に給電するようになっている。
【００１６】
上記のように構成された第１実施形態の燃料電池の暖機システムの作動（起動から定常運転への移行）について説明する。起動時には、燃料電池冷却系２の作動は停止しておく。即ち、ポンプ２１の作動は停止され、冷却水Ｗは燃料電池１に供給されないようにしておく。このようにして、燃料電池１内の冷却水Ｗを抜き取っておくことで、熱容量を低減でき、起動時間がさらに短縮できる。
次に、触媒燃焼通路１０４に水素と空気の混合気Ｍを供給する。この混合気Ｍは通路１０４内部に担持された触媒表面上で燃焼して、燃料電池１の電解質膜を暖機する。この場合、逆火防止のため水素と空気の混合気Ｍは通路１０４の直前で混合することにより作られる。
【００１７】
本発明で採用される燃料電池１の高分子固体電解質膜は、触媒１４の活性面から８０℃程度に保って運転するのが望ましい。それ故、図示しない温度センサにてこの膜の代表点の温度を監視し、この膜の活性が引き出される或る一定の温度になった後に燃料電池１の運転を始める。即ち、燃料通路１０１に水素Ｈが供給され、空気通路１０２に空気Ａが供給され、電気化学的酸化還元反応を起こさせ、電力供給先３に給電する。
燃料電池１自身で発電が始まると、発電時の放熱により電解質膜自身が加熱するので、この相乗効果を利用して、膜の温度が８０℃程度になったところで、水素と空気の混合気Ｍの供給を止めて、触媒燃焼を止め、燃料電池冷却系２（ポンプ２１）を稼動して膜の温度を８０℃に制御する定常運転に移行する。このようにして、燃料電池の起動時の早期の立ち上げを可能としている。
【００１８】
図２は、本発明の第２実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。第１実施形態では、燃料電池１内に専用の触媒燃焼通路１０４を設けていたが、この第２実施形態では、燃料電池１内に冷却水通路と触媒燃焼通路とを兼用した兼用通路１０５が設けられている。兼用通路１０５は、その内壁が触媒を担持しており、燃料電池冷却系２の一部をなしている。また、燃料電池冷却系２には新らたにタンク２４が加えられると共に、ポンプ２１の吸込側及びタンク２４の排出側にはそれぞれバルブ２５ａ，２５ｂが設けられている。更に兼用通路１０５の前方及び後方にバルブ１０５ａ，１０５ｂが設けられている。この場合、バルブ２５ａと１０５ａ及びバルブ２５ｂと１０５ｂをそれぞれ切替弁としてもよい。上記構成以外については、第１実施形態と同様の構成である。
【００１９】
上記構成よりなる第２実施形態の燃料電池の暖機システムの作動（起動から定常運転への移行）について説明する。
燃料電池１の停止時に燃料電池冷却系２を停止する際に、次の起動に備えてバルブ１０５ａ，１０５ｂを閉じ、バルブ２５ｂを閉じ、バルブ２５ａを開にして、冷却水Ｗの通路である兼用通路１０５内の冷却水Ｗをタンク２４に追い込んで、この兼用通路１０５の内部を空にする。このことで、冷却水分の熱容量を低減でき、起動エネルギを低減することができる。また、燃料電池の発電時の発熱で兼用通路１０５内部を乾燥しておく。
【００２０】
この状態で、バルブ１０５ａ，１０５ｂを開け、バルブ２５ａ，２５ｂを閉じて、起動時にこの兼用通路１０５に水素と空気の混合気Ｍを供給する。混合気Ｍは、この兼用通路１０５の内壁に担持された触媒表面上で燃焼して、燃料電池１の電解質膜を暖機する。この場合、逆火防止のため水素と空気の混合気Ｍは、兼用通路１０５の直前で混合することにより作られる。
【００２１】
本実施形態で採用される燃料電池１の高分子固体電解質膜も、触媒１４の活性面から８０℃程度に温度を保って運転することが望ましい。それ故、図示しない温度センサでこの膜の代表点の温度を監視し、この膜の活性が引き出される或る一定の温度になった後に燃料電池１の運転を始める。即ち、燃料通路１０１に水素Ｈが供給され、空気通路１０２に空気Ａが供給され、電気化学的酸化還元反応を起こさせ、電力供給先３に給電する。
【００２２】
燃料電池１自身での発電が始まると、発電時の放熱により電解質膜自身が加熱するので、この相乗効果を利用して電解質膜の温度が８０℃程度になったところで、定常運転に移行する。即ち、バルブ１０５ａ，１０５ｂを閉じて水素と空気の混合気Ｍの供給を止めて、触媒燃焼を止める。同時に、バルブ２５ａ及び２５ｂを開いて、この兼用通路１０５を冷却水Ｗが通る通路に切り替え、ポンプ２１を起動して燃料電池冷却系２を稼動し、電解質膜の温度を８０℃に制御する。なお、ポンプ２１へのガスの吸込みを防止するため、バルブの切り替え時にタンク２４に貯めた冷却水Ｗで兼用通路１０５内のガス抜きをする。
このようにして、燃料電池の起動時の早期の立ち上げを可能としている。
【００２３】
図３は、図１，２に示される燃料電池単体を積み重ねて燃料電池を形成する際の触媒燃焼通路（１０４，１０５）の構成例を示したものであり、（ａ）は、触媒燃焼通路がパラレルに並んだ例を、また（ｂ）は、一群のパラレルの触媒燃焼通路がシリーズにつながった例を、それぞれ示している。この場合、他の通路である、燃料通路１０１、空気通路１０２及び冷却水通路１０３も、同様にパラレル又はシリーズに構成することができる。
【００２４】
図１，２に第１、第２実施形態においては、燃料電池１内に触媒燃焼通路１０４，１０５を形成することで、水素と空気の混合気Ｍを触媒燃焼させることで、燃料電池１を暖機させているが、極低温時の起動の場合には、触媒の活性が低くなり、触媒燃焼が困難となり、未着火・不完全燃焼等の可能性が高くなる。第３実施形態では、この対策として、図１，２に点線で示すように触媒燃焼通路１０４，１０５の入口を局部的に暖めるグロープラグ等の補助熱源４を付加している。これにより、通路入口で触媒及び混合気を暖めることができ、触媒の活性を促すことができる。
【００２５】
また、図１の第１実施形態の触媒燃焼通路１０４の代わりに、図４に示す第４実施形態では、燃料電池１の電解質膜上の触媒層１４を用いて燃料と空気の混合気を燃焼させることで、燃料電池１を暖機させている。この場合、電解質膜１１と燃料極１２との間及び電解質膜１１と空気極１３との間に形成される触媒層１４中を燃料である水素と空気の混合気Ｍが通り抜けるようにしてやる。また、この触媒層１４上の燃焼による暖機は燃料極１２側と空気極１３側のいずれか一方であっても良い。
【００２６】
図５は、本発明の第５実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。上述した第１〜第４の実施形態では、触媒燃焼通路をいずれも燃料電池内に設けたものであるが、第５実施形態では、触媒燃焼通路の代りに、燃料電池１の外部に触媒燃焼器５を設けている。即ち、図５においては、空気通路１０２の手前に触媒燃焼器５を設けて、起動時に、空気通路１０２に入る空気Ａを触媒燃焼器５で加熱して、燃料電池１の空気通路１０２に送り込むようにしている。これにより、燃料電池１の電解質膜を暖機することができる。
なお、空気に代えて、燃料通路１０１に入る燃料（水素）Ｈを触媒燃焼器５で加熱するようにしてもよく、また、燃料電池冷却系２内に触媒燃焼器５を配置して、冷却水Ｗを加熱して燃料電池１内に送り込むようにしてもよい。
【００２７】
図６は、本発明の第６実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。上述の実施形態では、加熱源として触媒燃焼通路１０４，１０５又は触媒燃焼器５を使用しているが、本第６実施形態では、これらに代えて蓄熱器を使用している。例えば、図６に示す例では、燃料電池冷却系２にバイパス回路を設け、このバイパス回路に蓄熱器２６を設けている。当然、バイパス回路の分岐点には三方形２７ａ，２７ｂが設けられていて、冷却水Ｗの流れが切り替えられるようになっている。即ち、通常運転中においては、一部の高温冷却水Ｗがバイパス回路を通って、蓄熱器２６内に貯められて蓄熱し、起動時にバイパス回路のみを開放して、蓄熱器２６内に貯められた高温冷却水Ｗを燃料電池１の冷却水通路１０３を通って循環させることによって、燃料電池１を暖機させるようにする。
【００２８】
また、図２に示された第２実施形態において、燃料電池停止時に兼用通路１０５内の高温冷却水Ｗをバルブ１０５ｂを開けて外部に取り出して、完全に断熱した容器（図示せず）に閉じ込め、この高温冷却水Ｗを熱源として、空気や燃料（水素）を加熱するようにしてもよい。
【００２９】
なお、上記説明では前述実施形態は、それぞれ単独で利用するように説明しているが、これらの実施形態を適宜組み合わせて使用するも当然可能である。
【００３０】
更に、前述の実施形態の説明では、燃料電池の暖機システムの運転を、車両の起動時に稼動させるものとして説明しているが、リモコンとタイマーを組み合わせて、乗車前に運転者が起動時間を遡って、燃料電池の暖機システムの起動スイッチを入れることで、乗車時に即時に走行可能とすることも可能である。
【００３１】
以上説明したように、本発明においては、触媒燃焼等を利用して燃料電池を早期に暖機でき、燃料電池式自動車の停止時での起動を短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】本発明の第２実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図３】本発明の燃料電池内に設けられた触媒燃焼通路の構成を示す図で、（ａ）は、触媒燃焼通路をパラレルに配置した場合を、（ｂ）は、一群の触媒燃焼通路をシリーズに配置した場合をそれぞれ説明する図である。
【図４】本発明の第４実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図５】本発明の第５実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【図６】本発明の第６実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成を示す概念図である。
【符号の説明】
１…燃料電池
１０…セル
１１…電解質膜
１２…燃料極
１３…空気極
１４…触媒層
１０１…燃料（水素）通路
１０２…空気通路
１０３…冷却水通路
１０４…触媒燃焼通路
１０５…兼用通路
２…燃料電池冷却系
２１…ポンプ
２２…ラジエータ
２４…タンク
２６…蓄熱器
３…電力供給先
４…補助熱源
５…触媒燃焼器
Ａ…空気
Ｈ…燃料（水素）
Ｍ…混合気
Ｗ…冷却水
【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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