(57)【要約】【課題】  燃料電池の起動から暖機完了までに多くの時間とエネルギを要する。【解決手段】  ケース１に収納した燃料電池スタック２からのカソード排ガスの一部または全部を切換弁１９によりケース内に導入可能とする。起動時に昇温したカソード排ガスをケース内に導入することによりケース内の燃料電池スタックの雰囲気温度が上昇し、これにより低温条件下での暖機時間の短縮およびエネルギの節約を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを収納したケースと、
前記燃料電池スタックからのカソード排ガスを前記ケース外部に排出する排ガス通路と、を備えた燃料電池装置において、
前記排ガス通路のカソード排ガスを前記ケース内に導入する弁手段と、
前記ケース内に導入したカソード排ガスをケース外部に排出する排出口とを備えたことを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記ケース内へのカソード排ガスと燃料電池スタックへの供給ガスとが熱交換する熱交換部を備え、前記カソード排ガスを前記熱交換部を通過したのちケース内に導入するようにした請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記ケースは、水分を供給すると発熱し、水分の放出により発熱前の状態に再生する発熱繊維からなる再生式発熱部材を収装している請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記ケースは、その内面に擬水材が被覆されている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記ケースは、その底部に凝集水を貯溜する水貯蔵部を備えている請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記カソード排ガスを燃料電池起動時にケース内に導入し、燃料電池の暖機終了後に前記導入を停止する制御装置を備える請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記ケースは、ケース内のガスを外気で置換する換気用のファンを備え、このファンは、燃料電池の暖機完了前には停止し、暖機完了後に作動するように前記制御装置により制御される請求項６に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを起動させる際に、燃料電池スタックの温度を環境温度から定格運転温度（固体高分子型燃料電池の場合は60℃〜80℃程度）まで上昇させるためにはある程度のエネルギの投入および暖機時間が必要である。特に、外気温度が氷点下というような低温になると、燃料電池を起動させるのに必要なエネルギと時間は著しく増大する。
【０００３】
このような低温時の対策技術として、特許文献１には、燃料電池スタックを収容する収納ケースの内壁面に、水分の吸収により発熱し水分の放出により発熱前の状態に再生する発熱繊維からなる再生式発熱部材を配設し、前記スタック温度または収納ケース内温度が所定の生成水の凍結温度以下に低下したときこの再生式発熱部材を発熱させることにより暖機を補助するようにしたものが提案されている。
【特許文献１】特開2001-351653号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記再生式発熱繊維を発熱させるためには、水噴射当の水供給手段が必要となるので、水を貯溜および供給するための設備が必要になり、システムが複雑化する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ケースに収納した燃料電池スタックからのカソード排ガスの一部または全部を弁手段によりケース内に導入可能とする。
【発明の効果】
【０００６】
起動時に昇温したカソード排ガスをケース内に導入することによりケース内の燃料電池スタックの雰囲気温度が上昇し、これにより低温条件下での暖機時間の短縮およびエネルギの節約を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図1と図2に本発明の第１の実施形態を示す。図1は燃料電池の暖機が完了した後の通常運転時の、図２は暖機完了前の起動直後の、それぞれカソード排ガスおよび換気流の流動方向を表している。
【０００８】
図において、１は燃料電池のケース、２は前記ケースに収装された燃料電池スタックである。３は換気用の外気を取り入れるための外気導入口でありケース１の一端下部に設けられている。４は換気時にケース１内のガスを排出するための排出口であり、ケース１の他端上部に設けられている。前記排出口４にはケース１内のガスを強制排気するための電動ファン５が設けられている。６は前記外気導入口３の上方に位置するようにケース１に設けられたカソードガス排出口である。
【０００９】
前記外気導入口３にはケース１の内圧の低下に応じて、または後述する制御装置からの指令により開弁する弁装置を設けた構成とすることができる。また前記カソードガス排気口６には、ケース１の内圧の上昇により、または制御装置からの指令により開弁する弁装置を設けた構成とすることができる。
【００１０】
前記燃料電池スタック２は、積層された多数のセル１０（図では１個のみ示してある。以下の各図につき同様。）と、これらを両側から挟む電極１１，１２、絶縁板１３，１４からなっている。１５はケース１の外部から各セル１０の空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路である。図示しないが前記酸化剤ガス通路１５と並列的に、各セル１０の燃料極に水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス通路が設けられている。１６はケース１の外部へと各セル１０の空気極からの反応後のガスを排出するカソード排ガス通路である。図示しないが前記カソード排ガス通路１６と並列的に、各セル１０の燃料極からの反応後のガスを外部に排出するためのアノード排ガス通路が設けられている。１７は燃料電池スタック２の電極１１，１２に接続される電動機等の負荷装置を表している。
【００１１】
前記カソード排ガス通路１６には、燃料電池スタック２からのカソード排ガスの一部または全部をケース１の外部に排出するか、またはケース１の内部に向けて形成された排出口１８から排出するかを切り換える弁手段としての切換弁１９が設けられている。前記切換弁１９および電動ファン５は、図３と図４に示した制御システムおよび制御手順によりその作動が制御される。
【００１２】
図３において、２１は制御装置であり、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されている。２２は燃料電池の起動・暖機状態を検出するための運転状態検出手段であり、例えば前記燃料電池スタック２の温度を検出する温度センサから構成されている。５と１９はそれぞれ前述した電動ファンと切換弁である。
【００１３】
図４は前記制御装置２１による電動ファン５と切換弁１９の制御フローを示しており、この処理は一定周期で繰り返し実行される。以下、このフローに示した制御手順に従って前記燃料電池装置の作用につき説明する。
【００１４】
まず図４のステップ１１では燃料電池スタック２の運転状態を検出する。この場合、起動および暖機が完了したか否か判定するために温度センサ２２からの信号を運転状態信号として検出し、次のステップ１２にて温度が０℃以下であれば起動時または暖機未完了と判定してステップ１３に進み、検出スタック温度が０℃を超えていれば暖機完了としてステップ１５に進む。
【００１５】
暖機完了前の処理であるステップ１３では電動ファン５を停止させ、次いでステップ１４でカソード排ガスが排出口１８を介してケース１内に排出されるように切換弁１９を切り換える。暖機完了後の処理であるステップ１５では電動ファン５を作動させ、次いでステップ１６でカソード排ガスがケース１の外部へ排出されるように切換弁１９を切り換える。
【００１６】
暖機完了前の状態では、電動ファン５が停止するためケース１内への換気用の外気の導入が停止する。一方、燃料電池スタック２からのカソード排ガスは排出口１８を介してケース１の一端側から内部空間へと排出され、燃料電池スタック２の周囲を通過したのちケース１の他端側に位置する排出口６から外部へと排出される。
【００１７】
排出口１８からケース１の内部へと排出されたカソード排ガスは、セルでの反応熱で昇温しているので、燃料電池スタック２の周囲に存在した低温のガスと置き換わりながらケース１の外気よりも高温の雰囲気を形成する。これにより、燃料電池スタック２が低温の外気により冷やされることがなく、むしろ温度の高いカソード排ガスの保有する熱で加熱されるので、起動時間が短縮され、起動のためのエネルギ損失も低減される。なお、カソード排ガスはセルへの供給時よりも酸素含有率が低くなっているので、仮にケース１内にアノードガスの漏れがあったとしても反応する可能性は非常に低い。一方、暖機完了後は切換弁１９が切り換えられてカソード排ガスがケース１の外部へと排出されると共に電動ファン５による換気が開始され、燃料電池として通常の運転状態となる。
【００１８】
この制御では切換弁１９と電動ファン５の作動を同時に切り換えるようにしているが、それぞれ異なる温度または運転条件にて切り換えるようにしてもよい。また、燃料電池スタック２の起動・暖機状態はその出力から判定することも可能である。
【００１９】
図５に本発明の第２の実施形態を示す。図１または図２と同一の部分には同一の符号を付して示してある（以下の各図につき同様）。これは排出口１８からのカソード排ガスを通路２４を介して酸化剤ガス通路１５の入口部に設けた熱交換部２５に導き、この熱交換部２５にて酸化剤ガスを加温したのちケース１の内部空間へと排出するようにしたものである。熱交換部２５は酸化剤ガスのみならず燃料ガスをも加熱する構成としてもよい。この実施形態では、ケース１内に排出したカソード排ガスを外部に排出するための排出口６を、熱交換部２５とは離れたケース端部に設け、熱交換部２５を出た排ガスが燃料電池スタック２の周囲を流れてからケース外に出るようにしてある。
【００２０】
燃料電池スタック２に供給する酸化剤ガスまたは燃料ガスからなる供給ガスは、スタック入口から内部へと進行するにつれて反応により次第にガス温度が上昇する。言い換えれば流れの上流側ほど低温であるのでセルでの反応時に生じた水分が凝縮および凍結しやすい。この実施形態によれば、前記の熱交換により供給ガスが加温されるので、水分の凝縮および凍結を防止することができる。
【００２１】
酸化剤ガスをコンプレッサにより圧縮して燃料電池スタック２に供給する構成の場合は、圧縮により酸化剤ガスの温度が上昇するので、熱交換部２５では比較的低温の燃料ガスを優先的に加熱する構成としてもよく、これによりカソード排ガスの保有するエネルギをより有効に利用することができる。
【００２２】
図６には本発明の第３の実施形態を示す。これは水分の供給により発熱し、水分の排出により発熱前の状態に再生する発熱繊維からなる再生式発熱部材２６をケース１内に収容したものである。前記発熱繊維としては、例えばミズノ（株）と東洋紡（株）により共同開発されたブレスサーモ（商品名）が知られている。
【００２３】
燃料電池スタック２から排出されるカソード排ガスにはセルでの反応による生成水が含まれているので、起動時にケース１内に排出すると低温の内壁面に触れて凝縮する可能性がある。これに対して本実施形態では、ケース１の内壁に前記発熱部材２６を被覆したので、カソード排ガス中の水分が発熱部材２６に接触することで繊維が発熱して暖機効果およびエネルギ節約効果がより高められる。
【００２４】
図７には本発明の第４の実施形態を示す。これはケース１の下部に、凝縮水が発生した場合にこれを貯溜する水貯蔵部２７を設けたものである。ケース１内に排出したカソード排ガス中の水分が凝縮してケース１の内壁面に付着した場合、ケース１の絶縁性能が低下し、または腐食のおそれを生じる。この実施形態によれば、凝縮した水分を底部の水貯溜部２７に捕捉しておけるので、水分がケース１の内部で移動および散乱して前記の問題を起こすおそれを少なくすることができる。ケース１内壁面に撥水材を被覆することが、水分の付着をさらに確実に防止するためには好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による燃料電池装置の第１の実施形態の概略構成図。
【図２】図１とは異なる状態を示す概略構成図。
【図３】前記実施形態に係る制御装置の構成図。
【図４】図３の制御装置の動作手順を表す流れ図。
【図５】本発明による燃料電池装置の第２の実施形態の概略構成図。
【図６】本発明による燃料電池装置の第３の実施形態の概略構成図。
【図７】本発明による燃料電池装置の第４の実施形態の概略構成図。
【符号の説明】
【００２６】
１    ケース
２    燃料電池スタック
３    外気導入口
５    電動ファン
６    カソードガス排出口
１０    セル
１５    酸化剤ガス通路
１６    カソード排ガス通路
１８    ケース内への排出口
１９    切換弁
２１    制御装置
２２    温度センサ
２５    熱交換部
２６    再生式発熱部材
２７    水貯蔵部
【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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