(57)【要約】【課題】初期始動時に水素を消費せずに冷却水の温度を上げる燃料電池の水素供給システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池の水素供給システムは、水素保存ユニットと、水素化物保存ユニットと、酸化物と水素とを生成する反応器／ガス分離器と、水素に含まれた熱を冷却水に伝達する熱交換器と、反応器／ガス分離器からの酸化物、水素保存ユニットからの水素の供給を受け、水素化物水溶液を生成する再生器と、水素保存ユニットと前記燃料電池スタックとを連結する連結管に設けられる第１開閉バルブと、水素保存ユニットと前記再生器とを連結する連結管に設けられる第２開閉バルブと、熱交換器と燃料電池スタックとを連結する連結管に設けられる第３開閉バルブと、燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を検出し、信号を生成する冷却水温度検出器と、信号に基づいて、第１、第２、第３の開閉バルブを開閉作動させる制御信号を出力する制御ユニットとを含む。【選択図】          図１
2004200138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を保存するための水素保存ユニットと、
水素化物水溶液を保存するための水素化物保存ユニットと、
該水素化物保存ユニットから水素化物水溶液の供給を受けて、これを反応させて酸化物と水素とを生成する反応器／ガス分離器と、
該反応器／ガス分離器から前記生成された水素の供給を受けて、前記水素に含まれた熱を燃料電池スタックを循環する冷却水に伝達する熱交換器と、
前記反応器／ガス分離器から前記生成された酸化物の供給を受け、前記水素保存ユニットから水素の供給を受けて、供給を受けた酸化物と水素とを反応させて水素化物水溶液を生成する再生器と、
前記水素保存ユニットに保存された水素が前記燃料電池スタックに供給されるように前記水素保存ユニットと前記燃料電池スタックとを連結する連結管に設けられる第１開閉バルブと、
前記水素保存ユニットに保存された水素が前記再生器に供給されるように前記水素保存ユニットと前記再生器とを連結する連結管に設けられる第２開閉バルブと、
前記熱交換器を通過した水素が前記燃料電池スタックに供給されるように前記熱交換器と前記燃料電池スタックとを連結する連結管に設けられる第３開閉バルブと、
前記燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を検出して、該当する信号を生成する冷却水温度検出器と、
前記冷却水温度検出器の信号に基づいて、前記第１開閉バルブ、前記第２開閉バルブ及び前記第３開閉バルブを開閉作動させる制御信号を出力する制御ユニットとを含むことを特徴とする燃料電池の水素供給システム。
【請求項２】
前記水素化物水溶液は、
ナトリウムホウ素水素化物（ＮａＢＨ４）水溶液、リチウムホウ素水素化物（ＬｉＢＨ４）水溶液、リチウム水素化物（ＬｉＨ）水溶液、及びナトリウム水素化物（ＮａＨ）水溶液のうちのいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素供給システム。
【請求項３】
前記制御ユニットは、
前記冷却水の温度が予め設定された温度より高い場合には、前記第１開閉バルブを開放して前記第２及び第３開閉バルブを閉鎖することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素供給システム。
【請求項４】
前記制御ユニットは、
前記冷却水の温度が予め設定された温度より高くない場合には、前記第１開閉バルブを閉鎖して前記第２及び第３開閉バルブを開放することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の水素供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の水素供給システムに係り、より詳しくは、低温での始動性能を改善し、水素燃費の向上を図ることができる燃料電池の水素供給システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（ｆｕｅｌ−ｃｅｌｌ）は、燃料の酸化によって生じる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する電池である。
【０００３】
水素−酸素燃料電池が典型的な例であるが、水素以外にもメタンや天然ガスなどの気体燃料やメタノールなどの液体燃料が用いられることもある。
【０００４】
燃料電池は、燃料電池スタックから出力（ｐｏｗｅｒ）を得る前に、燃料電池スタックの温度が一定の温度（例えば５０℃）以上にならなければならない。低温で出力を得ると、燃料電池スタックのメンブレイン（ｍｅｍｂｒａｎｅ）や分離板に損傷が発生する恐れがある。つまり、急激な温度上昇により、燃料電池スタックが熱衝撃（ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｈｏｃｋ）を受けたり、燃料電池の効率が悪くなるのである。
【０００５】
また、加湿（ｈｕｍｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の側面から見ると、外気温度と同一な温度で供給される水素の相対湿度を１００％に合せても、燃料電池スタック内部の反応周囲の温度が高いため、全体的な相対湿度は低くなり、燃料電池の効率が悪くなる。
【０００６】
燃料電池における燃料電池スタック内部の反応温度及び冷却水の温度を高くするために、１）水素を燃焼させて冷却水の温度を上げる方法、２）メタンを燃焼させて冷却水の温度を上げる方法、３）電気加熱触媒（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｈｅａｔｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔ，  ＥＨＣ）を利用する方法、４）ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）周囲での水素と酸素との反応によって温度を上げる方法などが提案されていた。
【０００７】
水素やメタンを燃焼させて冷却水の温度を上げる方法は、燃焼熱の高い燃料（水素やメタン）を燃焼させることによって多量の熱が得られるので、冷却水の温度を容易に上げることができるが、燃料の燃焼によって冷却水の温度を上げると、燃料を消費するため、燃費の側面で非常に不利になる。また、水素を燃焼させる場合には、爆発の危険も伴う。
【０００８】
また、電気エネルギーを利用して冷却水の温度を上げる方法は、システムの構成の側面では簡単であるが、冷却水の温度を上げるために多くの電気を消耗するという短所がある。
【０００９】
そして、燃料電池スタック内部の水素と酸素との反応によって温度を上げる方法は、反応が起こる周囲の温度を高くして出力を短時間内に得ることができるが、電極触媒周囲の温度が急激に上がるため、燃料電池スタックに熱衝撃を与える恐れがある。
【００１０】
［特許文献１］特開２００３−１５７８７７
［特許文献２］特開平０７−０９４２０２
［特許文献３］特開２００１−０２３６７７
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述したような問題点を解決するために発明されたものであり、初期始動時に水素を消費せずに冷却水の温度を上げることができる燃料電池の水素供給システムを提供することにその目的がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明による燃料電池の水素供給システムは、
水素を保存する水素保存ユニットと、水素化物水溶液を保存する水素化物保存ユニットと、前記水素化物保存ユニットから水素化物水溶液の供給を受けて、これを反応させて酸化物と水素とを生成する反応器／ガス分離器と、前記反応器／ガス分離器から前記生成された水素の供給を受けて、前記水素に含まれた熱を燃料電池スタックを循環する冷却水に伝達する熱交換器と、前記反応器／ガス分離器から前記生成された酸化物の供給を受け、前記水素保存ユニットから水素の供給を受けて、供給を受けた酸化物と水素とを反応させて水素化物水溶液を生成する再生器と、前記水素保存ユニットに保存された水素が前記燃料電池スタックに供給されるように前記水素保存ユニットと前記燃料電池スタックとを連結する連結管に設けられる第１開閉バルブと、前記水素保存ユニットに保存された水素が前記再生器に供給されるように前記水素保存ユニットと前記再生器とを連結する連結管に設けられる第２開閉バルブと、前記熱交換器を通過した水素が前記燃料電池スタックに供給されるように前記熱交換器と前記燃料電池スタックとを連結する連結管に設けられる第３開閉バルブと、前記燃料電池スタックに供給される冷却水の温度を検出して、該当する信号を生成する冷却水温度検出器と、前記冷却水温度検出器の信号に基づいて、前記第１開閉バルブ、前記第２開閉バルブ及び前記第３開閉バルブを開閉作動させる制御信号を出力する制御ユニットとを含むことを特徴とする。
【００１３】
前記水素化物水溶液は、ナトリウムホウ素水素化物（ＮａＢＨ４）水溶液、リチウムホウ素水素化物（ＬｉＢＨ４）水溶液、リチウム水素化物（ＬｉＨ）水溶液、及びナトリウム水素化物（ＮａＨ）水溶液のうちのいずれか一つであるのが好ましい。
【００１４】
前記制御ユニットは、前記冷却水の温度が予め設定された温度より高い場合には、前記第１開閉バルブを開放して前記第２及び第３開閉バルブを閉鎖するのが好ましく、前記冷却水の温度が予め設定された温度より高くない場合には、前記第１開閉バルブを閉鎖して前記第２及び第３開閉バルブを開放するのが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。
【００１６】
図１に示されているように、本発明の好ましい実施例による燃料電池の水素供給システムは、水素化物水溶液（ａｑｕｅｏｕｓ  ｈｙｄｒｉｄｅｓ）を保存する水素化物保存ユニット１０１を含む。
【００１７】
水素化物は、水と反応して水素と高熱とを発生させる性質を有する化合物であり、例えば、ナトリウムホウ素水素化物（ＮａＢＨ４）、リチウムホウ素水素化物（ＬｉＢＨ４）、リチウム水素化物（ＬｉＨ）、ナトリウム水素化物（ＮａＨ）などの化学的水素化物とすることができる。したがって、水素化物水溶液は、一定の条件下で反応して水素と酸化物とを生成し、この時に熱が発生する。
【００１８】
次に、水素化物としてＮａＢＨ４（ｄｏｄｉｕｍ  ｂｏｒｏ  ｈｙｄｒｉｄｅ）が用いられる場合について説明するが、本発明はこれに限定されるのではない。
【００１９】
反応器／ガス分離器１０３は、水素化物保存ユニット１０１から水素化物水溶液（ＮａＢＨ４水溶液）の供給を受けて、反応器／ガス分離器１０３内でＮａＢＨ４水溶液を反応させて、酸化物（ＮａＢＯ２、ｓｏｄｉｕｍ  ｍｅｔａ  ｂｏｒａｔｅ）、水素（Ｈ２）及び熱を生成する。
【００２０】
反応器／ガス分離器１０３内での化学反応式は次の通りである。
【００２１】
【式１】
ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＮａＢＯ２＋４Ｈ２＋Ｑ
ここで、Ｑは化学反応時に発生する熱であり、その一部は水素に吸収される。
【００２２】
また、反応器／ガス分離器１０３は、反応の結果生成された酸化物（ＮａＢＯ２）と水素（Ｈ２）とを互いに分離して、酸化物（ＮａＢＯ２）は再生器１１７に供給されるようにし、水素（Ｈ２）は熱交換器１０５を通過するようにする。
【００２３】
前記反応器／ガス分離器１０３は、前記水素化物（ＮａＢＨ４）水溶液を反応させる触媒を含むのが好ましく、例えば、触媒はプラチナ（Ｐｌａｔｉｎｕｍ，Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ，  Ｒｕ）などとすることができる。
【００２４】
反応器／ガス分離器１０３で発生した高温の水素は、熱交換器１０５を通過する過程で冷却水に熱を伝達する。
【００２５】
冷却水は、燃料電池スタック１０９、冷却水タンク１１１、ラジエータ１１３、冷却水ポンプ１１５、及び熱交換器１０５を循環する。
【００２６】
再生器１１７は、反応器／ガス分離器１０３から供給される酸化物（ＮａＢＯ２）と水素保存ユニット１１９から供給される水素（Ｈ２）とを互いに反応させて水素化物水溶液（ＮａＢＨ４水溶液）を生成する。
【００２７】
再生器１１７での化学反応式は次の通りである。
【００２８】
【式２】
ＮａＢＯ２＋４Ｈ２→ＮａＢＨ４＋２Ｈ２Ｏ
【００２９】
再生器１１７で生成された水素化物水溶液（ＮａＢＨ４水溶液）は、水素化物保存ユニット１０１に供給される。
【００３０】
水素保存ユニット１１９と燃料電池スタック１０９とを連結する連結管には第１開閉バルブ１２１が設けられ、水素保存ユニット１１９と再生器１１７とを連結する連結管には第２開閉バルブ１２３が設けられ、熱交換器１０５と燃料電池スタック１０９とを連結する連結管には第３開閉バルブ１２５が設けられる。
【００３１】
第１、第２、及び第３開閉バルブ１２１、１２３、１２５は、制御ユニット１２７の制御信号によって作動して連結管を開閉するように構成される。
【００３２】
例えば、第１、第２、及び第３開閉バルブ１２１、１２３、１２５は、各々制御ユニット１２７の電気信号によって作動するソレノイドバルブとすることができる。
【００３３】
制御ユニット１２７は、熱交換器１０５と燃料電池スタック１０９との間を循環する冷却水の温度を検出する冷却水温度検出器１０７から冷却水温度信号を受信して、これに基づいて第１、第２、及び第３開閉バルブ１２１、１２３、１２５の作動を制御する。
【００３４】
図２を参考にして、まず、制御ユニット１２７は、冷却水の温度を計算して（Ｓ２０５段階）、検出された冷却水の温度が予め設定された温度より高いか否かを判断する（Ｓ２１０段階）。
【００３５】
ここで、予め設定された温度は、燃料電池スタックで化学反応が容易に起こる程度の温度に設定するのが好ましく、例えば、予め設定された温度は５０℃とすることができる。
【００３６】
計算された冷却水の温度が予め設定された温度より高い場合には、制御ユニット１２７は、第１開閉バルブ１２１は開放し、第２及び第３開閉バルブ１２３、１２５は閉鎖させる（Ｓ２１５段階）。
【００３７】
第１開閉バルブ１２１が開放されて第２及び第３開閉バルブ１２３、１２５が閉鎖されると、水素保存ユニット１１９の水素が直接燃料電池スタック１０９に供給される。
【００３８】
つまり、検出された冷却水の温度が予め設定された温度より高い場合には、正常な運転状態と見なして、水素保存ユニット１１９の水素を直接燃料電池スタック１０９に供給するのである。
【００３９】
反面、前記Ｓ２１０段階で、冷却水の温度が予め設定された温度より高くない場合には、制御ユニット１２７は、第１開閉バルブ１２１は閉鎖し、第２及び第３開閉バルブ１２３、１２５は開放させる（Ｓ２２０段階）。
【００４０】
第１開閉バルブ１２１が閉鎖されて第２及び第３開閉バルブ１２３、１２５が開放されると、水素保存ユニット１１９の水素が再生器１１７に供給され、反応器／ガス分離器１０３で水素化物水溶液が反応を起こして高温の水素を生成する。反応器／ガス分離器１０３で生成された水素は熱交換器１０５で冷却水に熱を伝達した後、第２開閉バルブ１２５を通過して燃料電池スタック１０９に供給される。
【００４１】
つまり、冷却水の温度が低い初期始動時に高温の水素を生成して、水素が有していた熱を熱交換器１０５で冷却水に伝達することによって、冷却水の温度を上げることができ、その結果、燃料電池スタック１０９での化学反応がより安定して容易に起こるようにして、初期始動性を改善する。
【００４２】
同時に、水素保存ユニット１１９から供給された水素を消費せずに再び燃料電池スタック１０９に供給することにより、初期始動性の改善のために水素を消費するのを防止することができる。
【００４３】
【発明の効果】
前記のような本発明の実施例による燃料電池の水素供給システムは、水素化物と水とが反応する過程で発生する熱を利用して冷却水の温度を上げることにより、初期低温始動性を改善することができる。
【００４４】
また、燃料電池の燃料に用いられる水素を消費せずに冷却水の温度を上げることにより、燃費を向上させることができる。
【００４５】
そして、初期始動時に水素を加湿して燃料電池スタックに供給することにより、燃料電池の性能を高めることができる。
【００４６】
さらに、水素を直接燃焼させずに冷却水を加熱するので、水素の燃焼による危険を除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施例による燃料電池の水素供給システムの概略的な構成図である。
【図２】本発明の好ましい実施例による燃料電池の水素供給システムの制御ユニットが遂行する制御ロジックを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０１  水素化物保存ユニット
１０３  反応器／ガス分離器
１０５  熱交換器
１０７  冷却水温度検出器
１０９  燃料電池スタック
１１１  冷却水タンク
１１３  ラジエータ
１１５  冷却水ポンプ
１１７  再生器
１１９  水素保存ユニット
１２１  第１開閉バルブ
１２３  第２開閉バルブ
１２５  第３開閉バルブ
１２７  制御ユニット
【図１】
2004200138.tif 000003
【図２】
2004200138.tif 000004