(57)【要約】【課題】冷却水温度上昇を待つことなく、燃料電池を短時間で暖機し起動させ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】本発明の暖機システムは、燃料電池１の空気通路に空気Ａを供給する空気供給系３に触媒ハニカム７を設置し、燃料電池の燃料通路に水素Ｈを供給する水素供給系２から、触媒ハニカムの上流の空気供給系に水素を供給できるようにし、起動時に水素と空気の混合気を触媒ハニカムに導入して触媒燃焼させ、加熱したガスを燃料電池に直接導入することで、燃料電池を短時間に暖機させている。水素供給系２に触媒を配置し、空気供給系３から水素供給系に空気を供給す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】
電解質板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し、燃料電池を加温或いは冷却する燃料電池冷却系とを備えている燃料電池の暖機システムにおいて、
前記燃料電池の前記空気通路に空気を供給する空気供給系に触媒を配置し、前記燃料電池の前記燃料通路に水素を供給する水素供給系から、前記触媒の上流の前記空気供給系に水素を供給でき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。
【請求項２】
電解質板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し、燃料電池を加温或いは冷却する燃料電池冷却系とを備えている燃料電池の暖機システムにおいて、
前記燃料電池の前記燃料通路に水素を供給する水素供給系に触媒を配置し、前記触媒の上流の前記水素供給系に空気を供給でき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。
【請求項３】
前記燃料電池の前記空気通路に空気を供給する空気供給系から、前記触媒の上流の前記水素供給系に空気を供給できるようにすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の暖機システム。
【請求項４】
前記水素供給系にエゼクタを配置すると共に水素ボンベに接続し、前記水素ボンベから前記エゼクタを通過する水素の供給エネルギを用いて空気を吸い込むことを特徴とする請求項２に記載の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ず、また、エネルギ変換効率即ち発電効率が高いことから、発電ロスによる発熱が少ないために自己で暖機する能力が小さいという特性を有する。かかる特性のため、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（水素）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、冷却水温度の上昇を待つことなく、直接に燃料電池を暖機することができ、短時間で充分な熱を供給し、燃料電池を短時間で起動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ことである。
請求項１に記載の燃料電池の暖機システムは、燃料電池の空気通路に空気を供給する空気供給系に触媒を配置し、燃料電池の燃料通路に水素を供給する水素供給系から、この触媒の上流の空気供給系に水素を供給できるようにしたものである。これにより、再起動時に水素と空気の混合気を触媒に入れて燃焼させ、加熱したガスを燃料電池に供給することで、短時間で燃料電池を暖機して起動させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の燃料電池の暖機システムは、燃料電池の燃料通路に水素を供給する水素供給系に触媒を配置し、この触媒の上流の水素供給系に空気を供給できるようにしたものであり、請求項１の触媒を空気供給系に配置する代りに、水素供給系に配置したものである。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。
請求項３の該暖機システムは、燃料電池の空気供給系から、触媒の上流の水素供給系に空気が供給できるようにしたものである。
【００１０】
請求項４の該暖機システムは、水素供給系にエゼクタを配置すると共に水素ボンベに接続し、この水素ボンベからエゼクタを通過する水素の供給エネルギを利用して空気を吸い込むようにしたものであり、この場合は、空気ポンプを運転して空気を送り込むのに比べ、高圧ボンベのエネルギを利用できるので効率が良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づい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は、公知のものであり、その細部については図中に示されていないが、そのセルは、電解質板の一方の面に燃料極を、他方の面に空気極を密着せしめてなり、これらをカーボン等を板状に成形したセパレータが挟持することで構成されている。セパレータの燃焼極又は空気極側の面に形成した凹部により、燃料極側のセパレータと燃料極とを通路壁面として燃料通路が形成され、空気極側のセパレータと空気極を通路壁面として空気通路が形成されている。
【００１２】
燃料通路は、燃料電池１の一端側から燃料としての水素等Ｈがその内部に導入され、余剰水素が他端側から燃料電池１外に排出される水素供給系２の一部をなしている。同様に空気通路は、燃料電池１の一端側から酸化剤としての空気又は酸素等Ａがその内部に導入され、反応水を含む余剰空気が他端側から燃料電池１外に排出される空気供給系３の一部をなしている。これら水素供給系２及び空気供給系３については、後に詳述する。
【００１３】
燃料電池１には、図では省略されているが更に燃料電池冷却系及び電気系が設けられている。この燃料電池冷却系は、燃料電池１を規定の温度状態に保つために設けられるものであり、冷却水が燃料電池１内の冷却水通路を通って流れる閉回路を形成している。燃料電池冷却系は、ポンプ及びラジエータを備えており、ポンプから排出された冷却水がラジエータによって冷却（燃料電池の熱を外部に放熱）され、冷却水通路を通ることによって燃料電池１を冷却し、その後、ポンプに戻る循環系が形成される。
【００１４】
燃料電池１の電気系は、燃料極及び空気極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、両極間に発生した電圧により、モータ、２次電池、インバータ等の電力供給先に給電するように構成されている。
【００１５】
次に本発明の特徴である水素供給系２及び空気供給系３について説明する。水素供給系２は、水素Ｈの供給源である高圧の水素ボンベ４及び絞り５を有しており、水素ボンベ４から送り出される高圧の水素Ｈが、絞り５によって減圧されて燃料電池１の燃料通路内に供給されるようになっている。一方、空気供給系３は、空気供給用のコンプレッサ６及び触媒ハニカム７を有しており、コンプレッサ６から送り出される空気Ａが触媒ハニカム７を通って燃料電池１の空気通路内に供給されるようになっている。
【００１６】
更に水素供給系２の絞り５と燃料電池１間には、三方弁８が設けられ、触媒ハニカム７の上流の空気供給系３に接続するバイパス路１４が設けられている。これにより、水素供給系２から三方弁８を介して、バイパス路１４を通って触媒ハニカム７の手前に水素Ｈを供給することが可能となる。
また、空気供給系３の燃料電池１の入口及び出口には、それぞれ温度センサ１０，１１が設けられていて、燃料電池１の入口での空気温度及び出口での空気温度を検出して、電子制御装置（ＥＣＵ）９に入力する。ＥＣＵ９は、これらの検出温度に基づいて、三方弁８を制御し、空気供給系３への水素Ｈの供給量をコントロールする。
【００１７】
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について説明する。
燃料電池起動時に、空気用のコンプレッサ６から空気供給系３で空気Ａを供給すると同時に、ＥＣＵ９により三方弁８を切り替えて水素供給系２から水素Ｈをバイパス路１４を通って空気供給系３に混入する。水素Ｈと空気Ａの混合気は、触媒ハニカム７に入り空気Ａの一部と水素Ｈが燃焼する。このとき、水素Ｈの供給量を、温度センサ１０での燃料電池１の空気側の入口温度が燃料電池１の耐熱温度の上限程度になるようにＥＣＵ９により三方弁８でコントロールする。
その後、温度センサ１１での燃料電池１の空気側の出口温度が、燃料電池１を運転できる温度に達したところで、三方弁８を元に戻してバイパス路１４を閉じ、通常の発電運転に入る。燃料電池１の冷却水は十分に燃料電池１の温度が上昇してから流し始める。
【００１８】
このように、本実施形態では、触媒ハニカム７で触媒燃焼した加熱ガスを直接燃料電池１に導入して燃料電池１を温めているので、従来の冷却水を介して燃料電池を温める方法と違い、冷却水の熱容量分を加熱しなくて済むと共に、電気ヒータ等と違い十分な熱量を燃料電池１に送ることができ、短時間で燃料電池１を起動することができる。
【００１９】
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の概念図を示している。図２においても、図１と同様に燃料電池１の細部については図示されておらず、また燃料電池冷却系及び電気系も図示されていないが、第１実施形態と同様の構成をしているものである。
第２実施形態においては、第１実施形態で空気供給系３に設けられていた触媒ハニカム７が水素供給系２に設けられている。即ち、水素供給系２は、水素Ｈの供給源である高圧の水素ボンベ４、絞り５及び触媒ハニカム７を備えており、水素Ｈが絞り５、触媒ハニカム７を通って燃料電池１の燃料通路に供給される。一方、空気供給系３は、空気供給用のコンプレッサ６と三方弁８を備えていて、空気Ａが三方弁８を通って燃料電池１の空気通路に供給される。また、この三方弁８からはバイパス通路１４が分岐して設けられており、このバイパス通路１４は絞り５と触媒ハニカム７間の水素供給系２に接続している。従って、三方弁８の切り替えにより、空気Ａがバイパス通路１４を通って、水素供給系２に供給できるようになっている。更に、水素供給系３の燃料電池１の入口及び出口には、それぞれ温度センサ１０，１１が設けられていて、燃料電池１の入口での水素温度及び出口での水素温度を検出して、ＥＣＵ９に入力する。ＥＣＵ９は、これらの検出温度に基づいて三方弁８を制御し、水素供給系２への空気Ａの供給量をコントロールする。
【００２０】
図２の第２実施形態の燃料電池の暖機システムの作動は、空気側で触媒燃焼していたものを水素側での触媒燃焼に変えたもので、基本的に第１実施形態の作動と同様である。即ち、燃料電池起動時に、水素ボンベ４から水素Ｈを供給すると同時に、三方弁８を切り替えて、空気用のコンプレッサ６からバイパス通路１４を通って水素供給系２に空気Ａを供給する。水素Ｈと空気Ａの混合気は触媒ハニカム７に入り、空気の一部と水素が燃焼する。空気Ａの供給量は、燃料電池１の水素側での入口温度が燃料電池１の耐熱温度の上限程度になるようにコントロールする。
その後、温度センサ１１で燃料電池１の水素側の出口温度が、燃料電池１を運転できる温度に達したところで、三方弁８を元に戻してバイパス路１４を閉じ、通常の発電運転に入る。燃料電池１の冷却水は十分に燃料電池１の温度が上昇してから流し始める。
【００２１】
このように、第２実施形態においては、起動時に空気Ａを水素供給系２に送り、触媒燃焼させて、この発熱ガスを直接燃料電池１に導入して燃料電池１を暖機している。
【００２２】
図３は、本発明の第３実施形態の燃料電池の暖機システムの全体構成の概念図を示している。この第３実施形態では、図２の第２実施形態のシステムで空気供給系３から空気Ａを取り入れる代りに、水素供給系２の触媒ハニカム７の手前にエゼクタ１２を設置し、高圧水素ボンベ４のエネルギを利用し、エゼクタ１２を介して外部から空気Ａを水素供給系２内に吸い込むようにしたものである。即ち、第２実施形態の三方弁８及びバイパス通路１４が取り除かれ、水素供給系２の絞り５と触媒ハニカム７との間にエゼクタ１２が設置される。エゼクタ１２には、外部から空気を吸い込む系路１５が設けられ、この系路１５にＥＣＵ９からの信号によって制御されるバルブ１３が配設されている。他の構成は、第２実施形態と同様である。
【００２３】
第３実施形態のシステムの作動は、第２実施形態の三方弁８の作動の代りにバルブ１３を作動する点が異なるのみである。即ち、燃料電池起動時にバルブ１３を開いて、エゼクタ１２を利用して外部から空気を水素供給系２内に吸い込む。水素Ｈと空気Ａの混合気は触媒ハニカム７で触媒燃焼し、その加熱ガスが燃料電池１に導入されて燃料電池１を短時間で暖機する。
この第３実施形態では、第１、第２実施形態の空気供給用のコンプレッサ４を運転するのに比べ、高圧水素ベンベ４のエネルギを利用できるので、エネルギ効率がよい。
【００２４】
以上説明したように、本発明では、燃料電池に供給するガスの一部を触媒燃焼し、加熱したガスを直接燃料電池に供給することによって、冷却水温度が上昇しなくても直接燃料電池を暖機することができる。また、熱源が触媒燃焼であることから、短時間に充分な熱を供給でき、燃料電池を短時間で起動させることができる。
【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】本発明の第３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
２…水素供給系
３…空気供給系
４…水素ボンベ
５…絞り
６…空気供給用コンプレッサ
７…触媒ハニカム
８…三方弁
９…電子制御装置（ＥＣＵ）
１０，１１…温度センサ
１２…エゼクタ
１３…バルブ
１４…バイパス通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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