(57)【要約】【課題】専用の冷却システムを設けることなく２次電池の冷却を可能とし、これを最適な使用温度に維持すると共に、低温起動時や暖機運転時には、２次電池の発熱を積極的に有効利用して暖機促進を図る。【解決手段】燃料電池スタック１への水素供給源である水素タンク４に、蓄電用の２次電池２を接触させた状態で配置し、これらの間で熱交換が行われるようにする。２次電池２は、水素供給時における水素タンク４内部の断熱膨張に伴う温度低下によって冷却される。また、低温起動時や暖機運転時には２次電池２からの電力取り出しを優先させることで、２次電池２を積極的に発熱させ、この熱を利用して水素タンク４内の水素温度を上昇させて暖機促進を図る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素タンクから供給される水素を燃料として発電を行う燃料電池と、
前記水素タンクに接して配置され、水素供給時には前記水素タンク内部の断熱膨張に伴う温度低下によって冷却される蓄電用の２次電池と、
前記燃料電池及び前記２次電池からの電力取り出しを制御する電力取り出し制御手段とを備え、
低温起動時又は暖機運転時に、前記電力取り出し制御手段が前記２次電池からの電力取り出しを優先させて、前記２次電池の発熱により、前記水素タンク内の水素が暖められることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電力取り出し制御手段は、前記２次電池の残充電量を監視して、前記２次電池の残充電量が所定の設定値未満になったときは、前記２次電池からの電力取り出しを停止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２次電池として、正極板と負極板とがセパレータを介して順次積層された発電要素を金属複合フィルムよりなる電池外装にて密封してなる積層型電池が用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
車両に搭載されて、車両駆動源である駆動モータへの電力供給に用いられることを特徴とする請求項１乃至３の何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、水素の供給により発電を行う燃料電池と蓄電用の２次電池とを備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び空気を電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、自動車等の車両用電源としての用途が期待されている。
【０００３】
ただし、燃料電池や燃料電池を含む発電システムでは、暖機が完了していない状態では安定した発電ができないため、補助電源として２次電池を設け、この２次電池によって例えば電気ヒータを作動させることで、燃料電池や燃料電池を含む発電システムの暖機を促進することが検討されている。
【０００４】
ところで、補助電源として用いられる２次電池においては、充放電時に生じる電極での化学反応や充放電電流を流す正負極端子等での電気抵抗による発熱によって温度は上昇する。この温度上昇が大きくなりすぎると、電池寿命が短くなったり、電池が破損する虞れが生ずる。そこで、この対策として、電池筐体の内部、あるいは表面へ冷媒を接触させることにより、電池を冷却する構造が種々提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献５等を参照）。
【特許文献１】特開２００１−６０４６６号公報
【特許文献２】特開２００１−３１９６９７号公報
【特許文献３】特開２００２−３５２８６３号公報
【特許文献４】特開２００２−２１６８６０号公報
【特許文献５】特開２００３−１７１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これら特許文献に記載される技術では、冷媒を電池表面へ接触させたり、あるいは内部を通して電池を冷却する構成になっているために、ポンプやファン、熱交換器、配管や冷却を制御するコントロールユニット等、専用の冷却システムを設置する必要があり、部品点数の増加によるコストの増加を招き、さらにはスペース効率が悪化するという問題がある。
【０００６】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、専用の冷却システムを設けることなく２次電池の冷却を可能として、これを最適な使用温度に維持することができ、さらに低温起動時や暖機運転時には、２次電池の発熱を積極的に有効利用して暖機促進を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、水素タンクから供給される水素を燃料として発電を行う燃料電池と、水素タンクに接して配置されて水素供給時には水素タンク内部の断熱膨張に伴う温度低下によって冷却される蓄電用の２次電池と、これら燃料電池や２次電池からの電力取り出しを制御する電力取り出し制御手段とを備える。そして、低温起動時又は暖機運転時には、電力取り出し制御手段が２次電池からの電力取り出しを優先させ、２次電池の発熱によって、水素タンク内の水素が暖められるようにしている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、水素供給時における水素タンク内部の断熱膨張に伴う温度低下によって２次電池を冷却することが可能であり、専用の冷却システム等を設けることなく、２次電池を常に最適な使用温度に維持することが可能である。また、低温起動時や暖機運転時には２次電池からの電力取り出しを優先させて２次電池を積極的に発熱させることで、この２次電池の発熱を暖機促進に役立てることができ、短時間で暖機を完了させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を適用した燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を示すものである。この燃料電池システムは、車両に搭載されて、車両駆動源である駆動モータへの電力供給に用いられるものであり、燃料電池スタック１と、この燃料電池スタック１に燃料である水素を供給する水素供給系、酸化剤である空気を供給する空気供給系、補助電源である２次電池２、燃料電池スタック１及び２次電池からの電力取り出しを制御するコントローラ３を備えている。
【００１１】
燃料電池スタック１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１２】
燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１３】
水素供給系は、例えば、水素供給装置である水素タンク４、排出弁５、調圧装置である水素調圧弁６、水素供給配管７、及び水素排気配管８を有している。そして、水素タンク４から供給される水素が、水素調圧弁６で減圧され、水素供給配管７を通って燃料電池スタック１の燃料極に送り込まれるようになっている。また、燃料電池１からの排水素は、水素排気配管８を介して排出されるが、この排水素を例えばエゼクタ等によって循環させて、新たに水素タンク４から供給される水素と混合して再び燃料電池スタック１の燃料極に供給するようにしてもよい。
【００１４】
また、空気供給手段は、外気を吸入し燃料電池スタック１の空気極に空気を圧送するためのコンプレッサ９、空気供給配管１０、及び空気極排ガスを排出するための空気排気配管１１を有している。そして、コンプレッサ９の駆動によって外気が加圧された状態で取り込まれ、空気供給配管１０を通って燃料電池スタック１の空気極に送り込まれるようになっている。また、燃料電池スタック１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気配管１１から大気中に排出される。
【００１５】
前述の水素供給系及び空気供給系においては、水素供給配管７及び空気供給配管１０の燃料電池スタック１の入口直前位置に熱交換器１２が設置されており、水素や空気がこの熱交換器１２において最適温度に温度調節された上で、燃料電池スタック１に供給されるようになっている。熱交換器１２には、温度調節用の冷媒が循環される循環経路１３が接続され、この循環経路１３には、冷媒を循環するための循環ポンプ１４、及び冷媒を冷却するラジエータ１５が設けられている。そして、燃料電池スタック１の入口直前にて温度センサ１６，１７により燃料電池スタック１に供給される水素や空気の温度が検出され、その検出値に応じてコントローラ３によって循環ポンプ１４やラジエータ１５のファンが動作制御されることで、水素や空気が最適温度に温度調節されるようになっている。
【００１６】
一方、２次電池２としては、例えばリチウムイオン２次電池等の積層型電池を単電池とし、これを多数個組み合わせてモジュール化したものが用いられる。図２及び図３は、２次電池２の単電池として用いられる積層型電池の一例を示すものである。
【００１７】
この積層型電池は、発電要素として積層電極２１を備え、この積層電極２１が、電池外装２２を構成する一対の金属複合フィルム２２ａ，２２ｂの中央部間に配置されて、これら一対の金属複合フィルム２２ａ，２２ｂによって厚み方向に挟み込むようにして、電解質と共に密封された構造となっている。
【００１８】
発電要素としての積層電極２１は、図３に示すように、複数枚の正極板２１Ａ及び負極板２１Ｂがセパレータ２１Ｃを介在しつつ順次積層されてなるものであり、その平面形状は略長方形とされている。この積層電極２１を構成する各正極板２１Ａは、正極リード２３を介して一方の電極端子としての正極タブ２４に接続されている。また、積層電極２１を構成する各負極板２１Ｂは、負極リード２５を介して他方の電極端子としての負極タブ２６に接続されている。
【００１９】
電池外装２２を構成する一対の金属複合フィルム２２ａ，２２ｂは、例えば、アルミニウムラミネートフィルム等からなり、アルミニウム等よりなる金属層を基材とし、この金属層の内側にＰＥ（ポリエチレン）またはＰＰ（ポリプロピレン）等よりなる高分子樹脂層がコーティングされ、かつ前記金属層の外側にナイロン保護層が接着されてなる。これら一対の金属複合フィルム２２ａ，２２ｂは、積層電極２１の形状に対応させて、この積層電極２１よりも若干大きめの長方形のシート状に成形されており、これら一対の金属複合フィルム２２ａ，２２ｂのうちの一方の金属複合フィルム２２ａは、その中央部に積層電極２１を収納する凹部２７が設けられたカップ状とされ、他方の金属複合フィルム２２ｂは、前記凹部２７の開口部を覆うように平坦状とされている。
【００２０】
そして、このような積層型電池を作製する際には、一方の金属複合フィルム２２ａに設けられた凹部２７内に積層電極２１を電解質とともに収納した状態で、この凹部２７を覆うように平坦状の他方の金属複合フィルム２２ｂを配置して、これら一対の金属複合フィルム２２ａ，２２ｂの外周部を熱融着する。これにより、積層電極２１が電解質とともに電池外装２２によって密封された構造となる。
【００２１】
以上のような積層型電池は、例えばリチウムイオン２次電池として構成される。この場合、積層電極２１の正極板２１Ａを形成している正極活物質として、リチウムニッケル複合酸化物や、リチウムマンガン複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物等を含有したものが使用される。
【００２２】
また、積層電極２１の負極板２１Ｂを形成している負極活物質としては、対リチウム電位が２．０Ｖ以下の範囲でリチウムをドープ・脱ドープすることが可能な材料であれば何れも使用可能であり、具体的には、難黒鉛化性炭素材料、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解黒鉛類、ピッチコークスやニードルコークス、石油コークス等のコークス類、グラファイト、ガラス状炭素、フェノール樹脂やフラン樹脂等を適当な温度で焼成して炭化した有機高分子焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラック等の炭素質材料を使用することが可能である。その他、リチウムと合金を形成可能な金属、及びその合金等も使用可能である。
【００２３】
さらに、電解質としては、電解質塩を非水溶媒に溶解して調製される液状のいわゆる電解液であってもよいし、電解質塩を非水溶媒に溶解した溶液を高分子マトリクス中に保持させたポリマーゲル電解質であってもよいし、電解質塩を高分子中に溶解させたポリマー電解質であってもよい。
【００２４】
本発明を適用した燃料電池システムでは、以上のような積層型電池を単電池とし、これを多数組み合わせてモジュール化したものが２次電池２として用いられ、この２次電池２が水素供給系の水素タンク４に接した状態で配置される。そして、これら２次電池２と水素タンク４との間で熱交換が行われるようにしている。
【００２５】
以上の構成を有する燃料電池システムが搭載される車両は、図１に示すように、駆動モータインバータ１８及び駆動モータ１９を備えており、燃料電池スタック１で発電された電力は、その一部が補機で消費され、残りが駆動モータインバータ１８から駆動モータ１９に供給される。また、燃料電池スタック１で発電された電力のうち、補機や駆動モータ１９で消費されなかった余剰の電力は、２次電池２に蓄電される。さらに、車両の減速によって回生電力が生じたときには、この回生電力の一部が補機により消費され、余剰の電力は駆動モータインバータ１８から２次電池２へ回収されてここに蓄電される。
【００２６】
一方、燃料電池スタック１の発電力が足りないときには、２次電池２に蓄電された電力が、燃料電池スタック１の発電量の不足分をアシストするアシスト電源として、補機あるいは駆動モータインバータ１８に供給される。このとき、２次電池２からの出力電圧、電流値は、電圧・電流計２０によって計測されるようになっており、この計測値に基づいてコントローラ３が２次電池２のＳＯＣ（残充電量）を判断し、これを監視するようにしている。そして、このような２次電池２の残充電量や燃料電池スタック１の発電状態、駆動モータ１９や補機に要求される電力等に応じて、コントローラ３が、燃料電池スタック１や２次電池２からの電力の取り出しを制御するようにしている。
【００２７】
以上のような燃料電池システムでは、上述したように、２次電池２が水素供給系の水素タンク４に接した状態で配置され、これら２次電池２と水素タンク４との間で熱交換が行われるようにしているので、水素タンク４内の水素や２次電池２の温度を最適温度へ近づけることができる。
【００２８】
例えば、加速時等には、燃料電池スタック１の発電力が供給不足になり、２次電池２が不足電力分をアシストして放電する。このときに生じる電極での化学反応や放電電流を流す正負極端子等での電気抵抗による発熱によって、２次電池２の温度は上昇する。この温度上昇が大きくなりすぎると、電池寿命が短くなったり、電池が破損する虞れが生ずるため、これを冷却する必要がある。そこで、比較的フレキシブルに形状を変化させやすい積層型電池を用いた２次電池２を水素タンク４に接触させて配置して、２次電池２の熱を水素タンク４に吸熱させることにより、２次電池２を最適な温度範囲へ冷却する。燃料電池スタック１の作動時には、圧縮水素の入った水素タンク４から水素が燃料電池スタック１へ供給され、水素タンク４内部に残った水素が断熱膨張する。その結果、水素タンク４内の温度が下がり、２次電池２における発熱を吸熱する。
【００２９】
また、本発明を適用した燃料電池システムでは、低温起動時又は暖機運転時には、２次電池２の残充電量ＳＯＣが予め劣化等を考慮して定めた所定の設定値以上となっていることを条件として、コントローラ３が２次電池２からの電力取り出しを優先させて２次電池２を積極的に発熱させるようにし、この２次電池２の熱を暖機促進に有効に役立てて、２次電池２の熱によって水素タンク４内の水素を最適供給温度に近づけるようにしている。すなわち、コントローラ３は、低温起動時や暖機運転時には、温度センサ１６によって検出される水素の供給温度や、電圧・電流計２０の計測値から判断される２次電池２の残充電量ＳＯＣに応じて、燃料電池スタック１や２次電池２からの電力取り出しを制御するようにしている。このときの制御フローを図４に示す。
【００３０】
低温起動時や暖機運転時には、イグニッションがオンされると、コントローラ３は、先ず２次電池２からの電力取り出しを開始させ（ステップＳ１）、この２次電池２からの電力により燃料電池スタック１起動のための補機を作動させる（ステップＳ２）。このとき、２次電池２は、電極での化学反応や放電電流を流す正負極端子等での電気抵抗による発熱によって温度が上昇する。この２次電池２は水素タンク４に接触して配置されているので、２次電池２の熱は水素タンク４へと伝熱され、これにより水素タンク４内の水素温度が徐々に上昇する。
【００３１】
２次電池２からの電力により補機が作動されることに伴って、水素タンク４からは水素が取り出され、燃料電池スタック１に供給される（ステップＳ３）。燃料電池スタック１に供給される水素の温度は温度センサ１６によって検出されるので、コントローラ３は、この温度センサ１６の検出値に基づいて、水素の供給温度が、燃料電池スタック１での発電開始目標温度に到達しているかどうかを判断する（ステップＳ４）。そして、燃料電池スタック１に供給される水素温度が発電開始目標温度に到達した段階で、コントローラ３は、燃料電池スタック１からの電力取り出しを開始させ、この燃料電池スタック１から取り出した電力を用いて駆動モータ１９等の負荷を駆動させる（ステップＳ５）。
【００３２】
一方、燃料電池スタック１に供給される水素温度が発電開始目標温度に到達していない間は、コントローラ３は電圧・電流計の計測値に基づいて２次電池２の残充電量ＳＯＣを監視しながら（ステップＳ６）、２次電池２の残充電量ＳＯＣが、予め劣化等を考慮して定めた所定の割合（Ｘ％）以上となっていることを条件に、２次電池２から取り出した電力を用いて駆動モータ１９等の負荷を駆動させる（ステップＳ７）。そして、燃料電池スタック１に供給される水素温度が発電開始目標温度に到達していない間に２次電池２の残充電量ＳＯＣが所定の割合（Ｘ％）未満となった場合には、駆動モータ１９等への２次電池２からの電力供給を停止して補機の作動のみを継続させ（ステップＳ８）、燃料電池スタック１に供給される水素温度が発電開始目標温度に到達した後に、燃料電池スタック１から取り出した電力を用いて駆動モータ１９等の負荷を駆動させる。
【００３３】
以上説明したように、本発明を適用した燃料電池システムでは、２次電池２が水素タンク４に接触させて配置されており、２次電池２と水素タンク４との間での熱交換により２次電池２を冷却することができるので、２次電池２を冷却するためのポンプやファン、熱交換器、配管等のような機構を別途設けることなく、２次電池２の温度を最適温度に保つことができる。したがって、２次電池２の性能を長期間にわたって高性能に保ちながら、部品点数増加によるコスト増を招くことがなく、また、スペース効率が良いシステム構成を実現できる。
【００３４】
また、本発明を適用した燃料電池システムにおいては、低温起動時や暖機運転時には２次電池２からの電力取り出しを優先させて、２次電池２を積極的に発熱させ、この２次電池２の熱を水素タンク４へ伝熱させるようにしているので、水素温度を速やかに上昇させて燃料電池スタック１へ供給する最適温度へ近づけることができ、同時に２次電池２は冷却されて、最適な使用温度へ近づけることができる。これにより、当該燃料電池システムの起動および暖機運転をより早く行なうことが可能となる。
【００３５】
さらに、本発明を適用した燃料電池システムでは、２次電池２として、アルミニウムラミネートフィルム等を電池外装２２に用いたリチウムイオン２次電池を使用しているので、水素タンク４に接触させ易く、効率的な熱の伝達が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】２次電池として用いた積層型電池の構成を示す外観斜視図である。
【図３】図２におけるＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、低温起動時や暖機運転時にコントローラによって実施される制御フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池スタック
２  ２次電池
３  コントローラ
４  水素タンク
１６，１７  温度センサ
２０  電圧・電流計
２１  発電要素
２１Ａ  正極板
２１Ｂ  負極板
２１Ｃ  セパレータ
２２  電池外装
２２ａ，２２ｂ  金属複合フィルム
【図１】
2005044712.tif 000003
【図２】
2005044712.tif 000004
【図３】
2005044712.tif 000005
【図４】
2005044712.tif 000006