(57)【要約】【課題】燃料電池システムの起動時に内部で凍結している水を少ない消費電力で解凍し、優れた低温始動性を確保することである。【解決手段】燃料電池のスタック１に、過冷却特性を有する酢酸ナトリウム三水和物の凝固熱により発熱する発熱手段１４を設置し、スタック１の始動に先行して発熱手段１４を起動することにより、少ない消費電力でスタック１の内部で凍結している水を解凍し、優れた低温始動性を確保できるようにした。【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を燃料電池のスタックに供給して、これらのガスの酸化反応エネルギを電気エネルギとして取り出す燃料電池システムにおいて、過冷却特性を有する溶液の凝固熱により発熱する発熱手段を、前記燃料電池システムの凍結の恐れがある箇所に設置し、この発熱手段を設置した箇所を所定の燃料電池システムの起動時に温めて、その内部で凍結した水を解凍するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記過冷却特性を有する溶液として酢酸ナトリウム三水和物を用いた請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発熱手段に、前記過冷却特性を有する溶液に衝撃を与えて凝固反応を起こさせる起動器を設けた請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記起動器が、前記過冷却特性を有する溶液中に配設した金属片を弾性変形させて、溶液に衝撃を与えるものである請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記凝固した過冷却特性を有する溶液の液化復元に、前記ガスの酸化反応に伴う熱を利用した請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガスの酸化反応に伴う熱を、前記スタックから直接、または、前記酸化反応に伴って生成される高温の生成水、もしくは前記スタックの冷却に用いられる冷却水の保有熱として、前記液化復元に利用するようにした請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記スタックの運転を停止する前後近くに、水が存在する箇所に設けた排水弁を開放し、その内部に存在する水を排水するようにした請求項１乃至６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記スタックの運転を停止する前後近くに、内部に水が存在する箇所からの排水を、吸引ポンプを用いて強制的に行うようにした請求項１乃至７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿するようにし、前記スタックの運転停止前には、このガスの加湿を発電できる最低限の度合に抑制するようにした請求項１乃至８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ガスの加湿の抑制を、前記燃料ガスと酸化剤ガスのスタックへの各供給経路の少なくともいずれかに設けた加湿器の操作で行うようにした請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池システムが、前記燃料ガスと酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿器で加湿して、ガス供給経路で前記スタックに供給し、前記ガスの酸化反応で生成される生成水を水分回収経路で水分回収器に回収するものであり、前記発熱手段を設置した箇所を、前記加湿器、ガス供給経路、スタック、水分回収経路および水分回収器の少なくともいずれかとした請求項１乃至１０のいずれか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関し、特に、低温時での始動性を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池のスタックに供給して、これらのガスの酸化反応エネルギを電気エネルギとして取り出す燃料電池システムでは、スタック内を循環する冷却水、酸化反応で生成される生成水、およびスタック内に設けられた電解質膜を加湿する加湿水が内部に存在する。加湿水は燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する方法で供給されることが多く、生成水を加湿水として用いることもある。このため、氷点下の寒冷時における燃料電池の停止中にこれらの水が凍結して、低温始動性が損なわれる問題がある。
【０００３】
このような燃料電池システムの低温始動性を改善する手段としては、冷却水の凍結防止を目的として、冷却水の循環系内の水温を検出する水温センサを設け、水温センサの検出水温に応じて、燃料電池の停止中に冷却水を強制循環させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載されたものでは、可変容量のヒータを設けて、このヒータで強制循環させる冷却水を加温することも提案している。
【０００４】
また、低温時におけるスタック内での生成水や加湿水の凍結防止を目的として、燃料電池の停止前に酸化剤ガスとしての空気の加湿を停止し、無加湿の空気を所定時間供給することにより、スタック内を乾燥させ、凍結水分をなくすようにしたものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５２８３５号公報（第２−６頁、第１−２図）
【特許文献２】特開２００１−３３２２８１号公報（第３−４頁、第１−２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された冷却水の凍結防止手段は、冷却水を強制循環させることにより冷却水の凍結を防止することはできるが、スタック内の生成水や加湿水の凍結を防止することはできない。強制循環させる冷却水を可変容量のヒータで加温すれば、その伝熱で凍結した生成水や加湿水を解凍することはできるが、燃料電池の停止中に、冷却水を強制循環させるポンプのほかにヒータも作動させる必要があり、これらの消費電力を賄うために大容量のバッテリを必要とする問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２に記載されたスタック内を乾燥させて凍結水分をなくす方法は、燃料電池停止中の消費電力は少ないが、冷却水の凍結は防止することはできない。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、燃料電池システムの起動時に内部で凍結している水を少ない消費電力で解凍し、優れた低温始動性を確保することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを燃料電池のスタックに供給して、これらのガスの酸化反応エネルギを電気エネルギとして取り出す燃料電池システムにおいて、過冷却特性を有する溶液の凝固熱により発熱する発熱手段を、前記燃料電池システムの凍結の恐れがある箇所に設置し、この発熱手段を設置した箇所を所定の燃料電池システムの起動時に温めて、その内部で凍結した水を解凍する構成を採用した。
【００１０】
すなわち、過冷却特性を有する溶液の凝固熱により発熱する発熱手段を、燃料電池システムの凍結の恐れがある箇所に設置し、この箇所を所定の燃料電池システムの起動時に発熱手段で温めることにより、その内部で凍結している水を少ない消費電力で解凍し、優れた低温始動性を確保できるようにした。
【００１１】
前記過冷却特性を有する溶液としては、酢酸ナトリウム三水和物を採用することができる。
【００１２】
前記発熱手段に、前記過冷却特性を有する溶液に衝撃を与えて凝固反応を起こさせる起動器を設けることにより、必要な箇所を短時間で速やかに温めることができる。起動器は、冷却水や生成水等の水温や、スタック内や外気等の気温を検出する温度センサ等の検出出力に基づいて自動的に作動させてもよいし、スイッチ等を用いて手動で作動させてもよい。
【００１３】
前記起動器としては、前記過冷却特性を有する溶液中に配設した金属片を弾性変形させて、溶液に衝撃を与えるものを採用することができる。
【００１４】
前記凝固した過冷却特性を有する溶液の液化復元に、前記ガスの酸化反応に伴う熱を利用することにより、別途の液化復元用の熱源を不要とすることができる。
【００１５】
前記ガスの酸化反応に伴う熱は、前記スタックから直接、または、前記酸化反応に伴って生成される高温の生成水、もしくは前記スタックの冷却に用いられる冷却水の保有熱として、前記液化復元に利用することができる。
【００１６】
前記スタックの運転を停止する前後近くに、水が存在する箇所に設けた排水弁を開放し、その内部に存在する水を排水することにより、燃料電池停止中にこれらの箇所に存在する水分を少なくして、発熱手段からの凝固熱をより有効に活用することができる。
【００１７】
前記スタックの運転を停止する前後近くに、内部に水が存在する箇所からの排水を、吸引ポンプを用いて強制的に行うことによっても、燃料電池停止中にこれらの箇所に存在する水分を少なくして、発熱手段からの凝固熱をより有効に活用することができる。
【００１８】
前記スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿するようにし、前記スタックの運転停止前には、このガスの加湿を発電できる最低限の度合に抑制することにより、燃料電池停止時のスタック内の水分を少なくして、発熱手段からの凝固熱をより有効に活用することができる。
【００１９】
前記ガスの加湿の抑制は、前記燃料ガスと酸化剤ガスのスタックへの各供給経路の少なくともいずれかに設けた加湿器の操作で行うことができる。
【００２０】
前記燃料電池システムが、前記燃料ガスと酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿器で加湿して、ガス供給経路で前記スタックに供給し、前記ガスの酸化反応で生成される生成水を水分回収経路で水分回収器に回収するものである場合は、前記発熱手段を設置する箇所を、前記加湿器、ガス供給経路、スタック、水分回収経路および水分回収器の少なくともいずれかとするとよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の燃料電池システムは、過冷却特性を有する溶液の凝固熱により発熱する発熱手段を、燃料電池システムの凍結の恐れがある箇所に設置し、この箇所を所定の燃料電池システムの起動時に発熱手段で温めるようにしたので、その内部で凍結している水を少ない消費電力で解凍し、優れた低温始動性を確保することができる。
【００２２】
前記発熱手段に、過冷却特性を有する溶液に衝撃を与えて凝固反応を起こさせる起動器を設けることにより、必要な箇所を短時間で速やかに温めることができる。
【００２３】
前記凝固した過冷却特性を有する溶液の液化復元に、ガスの酸化反応に伴う熱を利用することにより、別途の液化復元用の熱源を不要とすることができる。
【００２４】
前記スタックの運転を停止する前後近くに、水が存在する箇所に設けた排水弁を開放し、その内部に存在する水を排水するか、内部に水が存在する箇所からの排水を吸引ポンプを用いて強制的に行うことにより、燃料電池停止中にこれらの箇所に存在する水分を少なくして、発熱手段からの凝固熱をより有効に活用することができる。
【００２５】
前記スタックに供給される燃料ガスと酸化剤ガスの少なくともいずれかを加湿するようにし、スタックの運転停止前には、このガスの加湿を発電できる最低限の度合に抑制することにより、燃料電池停止時のスタック内の水分を少なくして、発熱手段からの凝固熱をより有効に活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１乃至図３は、第１の実施形態を示す。この燃料電池システムは、図１に示すように、スタック１に設けた燃料極２と酸化剤極３に、それぞれ燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスとしての空気とを各ガス供給経路４、５から供給し、これらのガスの酸化反応エネルギを電気エネルギとして取り出すものであり、酸化反応で昇温するスタック１内を冷却して、その回収熱を放熱器６で放出する冷却水の循環経路７が設けられている。
【００２７】
また、この燃料電池システムには、酸化反応で生成される生成水を水分回収経路８から回収する水分回収器９と、水分回収器９に回収された水分を加湿水として加湿水経路１０から供給し、各ガス供給経路４、５で水素ガスと空気を加湿する加湿器１１も設けられている。これらの加湿器１１は、スタック１内に設けられた電解質膜（図示省略）を間接的に加湿するためのものである。水分回収経路８と各加湿器１１には、それぞれ生成水や加湿水を排水経路１２に排水する排水弁１２ａが設けられ、排水経路１２には各排水弁１２ａからの排水を強制的に吸引する吸引ポンプ１３が設けられている。
【００２８】
前記スタック１には、所定の外気温以下で凍結の恐れがあるときに、その始動に先行して起動される発熱手段１４が設置されている。この発熱手段１４は、図２に示すように、スタック１を覆う金属製の容器１５に過冷却特性を有する酢酸ナトリウム三水和物Ａを満たし、この酢酸ナトリウム三水和物Ａに衝撃を与える起動器１６を容器１５の上部に取り付けたものであり、この起動器１６による衝撃で、過冷却状態の酢酸ナトリウム三水和物Ａの平衡を崩して、液体から固体への凝固反応を生じさせ、このときに発生する凝固熱でスタック１の内部を速やかに温める。容器１５は外周側を断熱材１７で覆われ、内周側のスタック１が効率よく温められて、内部で凍結した水が解凍されるようになっている。
【００２９】
前記起動器１６は、図３に示すように、電磁力等でピストン運動するアクチュエータ１８を下方に押し込むことにより、容器１５の密封構造を保つ可撓性のラバー１９を介して起動ピン２０を下方へ突き出し、容器１５内の孔部２１に固定された薄い金属片２２を弾性変形させて、酢酸ナトリウム三水和物Ａに衝撃を与えるものである。この衝撃によって凝固した酢酸ナトリウム三水和物Ａは、スタック１の始動後にガスの酸化反応に伴って生じる熱により液化復元される。
【００３０】
また、前記スタック１の運転を停止するときに今後の凍結が予想される場合は、スタック１を停止する前後近くに、各排水弁１２ａが開けられるとともに吸引ポンプ１３が作動され、水分回収経路８と各加湿器１１から、スタック１内や水分回収器９内の生成水や加湿水が排水経路１２に強制的に排水される。また、加湿水経路１０には絞り弁１０ａが設けられており、スタック１の停止前に、水分回収器９から各加湿器１１に供給される加湿水が、発電可能な最低限の度合に抑制されるようになっている。このように、スタック１の停止時に燃料電池システム内の水分を少なくしておくことにより、スタック１の始動前に発熱手段１４から発生する凝固熱を、より有効に活用することができる。
【００３１】
図４乃至図６は、第２の実施形態を示す。この燃料電池システムは、図４に示すように、前記冷却水の循環経路７に開閉弁７ａを介して、各ガス供給経路４、５に沿う延長経路７ｂを設け、これらの延長経路７ｂが沿う各ガス供給経路４、５と水分回収経路８とに、それぞれ発熱手段１４ａ、１４ｂを設置したものであり、各発熱手段１４ａ、１４ｂの起動によって、各ガス供給経路４、５と水分回収経路８の内部が温められ、内部で凍結した水が解凍されるようになっている。その他の部分は、第１の実施形態のものと同じである。
【００３２】
前記各ガス供給経路４、５に設置した発熱手段１４ａは、図５に示すように、いずれかのガス供給経路４、５と延長経路７ｂを覆う容器１５に過冷却特性を有する酢酸ナトリウム三水和物Ａを満たし、第１の実施形態のものと同様に、酢酸ナトリウム三水和物Ａに衝撃を与える起動器１６を容器１５の上部に取り付けたものである。また、水分回収経路８に設置した各発熱手段１４ｂも、図６に示すように、水分回収経路８を覆う容器１５に酢酸ナトリウム三水和物Ａを満たし、容器１５に起動器１６を取り付けたものである。
【００３３】
この実施形態では、前記スタック１の始動に先行して各発熱手段１４ａ、１４ｂが起動されるときに、循環経路７の開閉弁７ａが開けられ、発熱手段１４ａにより延長経路７ｂで温められる冷却水が循環経路７に流入して、スタック１内も間接的に温められる。また、起動器１６の衝撃によって凝固した発熱手段１４ａの酢酸ナトリウム三水和物Ａは、スタック１始動後の酸化反応熱で昇温されて延長経路７ｂを循環する冷却水の保有熱で液化復元され、発熱手段１４ｂの酢酸ナトリウム三水和物Ａは、酸化反応に伴って生成され、水分回収経路８に流入する高温の生成水で液化復元される。なお、発熱手段１４ａの酢酸ナトリウム三水和物Ａが液化復元された後は、循環経路７の開閉弁７ａが閉じられ、冷却水は高温のスタック１内のみを冷却する。
【００３４】
図７は、第３の実施形態を示す。この燃料電池システムは、前記循環経路７の延長経路７ｂが各加湿器１１まで延長され、各加湿器１１内に延長経路７ｂを覆う発熱手段１４ｃが設置されている。その他の部分は第２の実施形態のものと同じであり、水分回収経路８にも発熱手段１４ｂが設置されている。
【００３５】
図８は、第４の実施形態を示す。この燃料電池システムは、前記冷却水の循環経路７に開閉弁７ａを介して、水分回収器９内に延びる延長経路７ｃを設け、水分回収器９内で延長経路７ｃを覆う発熱手段１４ｄを設置したものである。その他の部分は、スタック１に発熱手段１４が設置されていないことを除いて、第１の実施形態のものと同じである。
【００３６】
この実施形態では、前記スタック１の始動に先行して発熱手段１４ｄが起動されるときに、循環経路７の開閉弁７ａが開けられ、延長経路７ｃで温められる冷却水が循環経路７に流入して、スタック１内も間接的に温められる。また、起動器１６の衝撃によって凝固した発熱手段１４ｄの酢酸ナトリウム三水和物Ａは、スタック１始動後に昇温されて延長経路７ｃを循環する冷却水の保有熱で液化復元され、酢酸ナトリウム三水和物Ａが液化復元された後は、開閉弁７ａが閉じられて冷却水は高温のスタック１内のみを冷却する。
【００３７】
上述した各実施形態では、過冷却特性を有する溶液として酢酸ナトリウム三水和物を用い、その平衡状態を崩す衝撃を、金属片を弾性変形させる起動器で付与するようにしたが、溶液の種類および起動器の形態は実施形態のものに限定されることはない。なお、起動器は、冷却水や生成水等の水温や、スタック内や外気等の気温を検出する温度センサ等の検出出力に基づいて自動的に作動させてもよいし、スイッチ等を用いて手動で作動させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムを示す系統図
【図２】図１のスタックに設置した発熱手段を示す断面図
【図３】図２の発熱手段の起動器を拡大して示す断面図
【図４】第２の実施形態の燃料電池システムを示す系統図
【図５】図４のガス供給経路に設置した発熱手段を示す断面図
【図６】図４の水分回収経路に設置した発熱手段を示す断面図
【図７】第３の実施形態の燃料電池システムを示す系統図
【図８】第４の実施形態の燃料電池システムを示す系統図
【符号の説明】
【００３９】
１  スタック
２  燃料極
３  酸化剤極
４、５  ガス供給経路
６  放熱器
７  循環経路
７ａ  開閉弁
７ｂ、７ｃ  延長経路
８  水分回収経路
９  水分回収器
１０  加湿水経路
１０ａ  絞り弁
１１  加湿器
１２  排水経路
１２ａ  排水弁
１３  吸引ポンプ
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ  発熱手段
１５  容器
１６  起動器
１７  断熱材
１８  アクチュエータ
１９  ラバー
２０  起動ピン
２１  孔部
２２  金属片
【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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