(57)【要約】【課題】少ない消費電力で、燃料電池システムの内部に存在する水の凍結を防止することである。【解決手段】燃料電池のスタック１内を冷却する冷却水の循環経路７に過冷却特性を有する酢酸ナトリウム溶液の凝固熱により発熱する発熱器１５を設け、この発熱器１５で循環経路７を循環する冷却水を温めることにより、少ない消費電力で燃料電池システム内部に存在する水の凍結を防止できるようにした。【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し、前記スタック内を冷却する冷却水の循環経路を設けた燃料電池システムにおいて、前記冷却水の循環経路に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設け、この発熱手段により前記循環経路を循環する冷却水を温めて、内部に存在する水の凍結を防止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溶液を用いた請求項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、前記冷却水の回収熱を用いるようにした請求項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して、前記スタック内に設けられた電解質膜を加湿する加湿水の供給経路を設け、燃料電池の停止前に、前記供給経路からの加湿水の供給を止めるようにした請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加湿水の供給を止める手段が、前記供給経路に排水弁を設け、この排水弁で前記加湿水を排水するものである請求項６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】
この発明は、燃料電池システムに関し、特に、内部に存在する水の凍結を防止できる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し、スタック内を冷却する冷却水の循環経路を設けた燃料電池システムでは、スタック内を循環する冷却水のほかに、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内に存在する水の凍結を防止する手段としては、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、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、その伝熱で生成水や加湿水の凍結を防止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、この発明の課題は、少ない消費電力で、燃料電池システムの内部に存在する水の凍結を防止することである。
【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、この発明は、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し、前記スタック内を冷却する冷却水の循環経路を設けた燃料電池システムにおいて、前記冷却水の循環経路に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設け、この発熱手段により前記循環経路を循環する冷却水を温めて、内部に存在する水の凍結を防止する構成を採用した。
【００１０】
すなわち、冷却水の循環経路に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設け、この発熱手段で循環経路を循環する冷却水を温めることにより、少ない消費電力で燃料電池システムの内部に存在する水の凍結を防止できるようにした。
【００１１】
前記過冷却特性を有する溶液としては、酢酸ナトリウム溶液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、循環する冷却水を短時間で必要なときに温めることができる。起動器は、冷却水の水温、スタック内の温度または外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、前記冷却水の回収熱を用いることにより、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して、前記スタック内に設けられた電解質膜を加湿する加湿水の供給経路を設け、燃料電池の停止前に、前記供給経路からの加湿水の供給を止めることにより、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。
【００１６】
前記加湿水の供給を止める手段としては、前記供給経路に排水弁を設け、この排水弁で前記加湿水を排水する方法を採用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明の燃料電池システムは、燃料電池のスタック内を冷却する冷却水の循環経路に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設け、この発熱手段で循環経路を循環する冷却水を温めるようにしたので、少ない消費電力で内部に存在する水の凍結を防止することができる。
【００１８】
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、循環する冷却水を短時間で必要なときに温めることができる。
【００１９】
前記凝固した過冷却特性を有する溶液中の液化復元に、冷却水の回収熱を用いることにより、別途の液化復元用の熱源を不要とすることができる。
【００２０】
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して、スタック内に設けられた電解質膜を加湿する加湿水の供給経路を設け、燃料電池の停止前に、供給経路からの加湿水の供給を止めることにより、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】
【００２１】
以下、図面に基づき、この発明の実施形態を説明する。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。
【００２２】
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から供給され、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、加湿水経路１０および各加湿器１１には、それぞれ排水弁１２で開閉される排水口１３が設けられている。
【００２３】
前記冷却水の循環経路７には、循環用のポンプ１４と、循環される冷却水を加温する発熱器１５が設けられており、放熱器６のほかに水分回収器９も循環するようになっている。また、循環経路７には放熱器６を通らないバイパス７ａも設けられ、その分岐口には切換弁１６が、合流口には逆止弁１７が設けられている。図１は、燃料電池が運転中の状態であり、切換弁１６が放熱器６側の経路に開けられ、スタック１での冷却水の回収熱が放熱器６で放出されるようになっている。
【００２４】
前記発熱器１５は、図２に示すように、冷却水の循環経路７の配管を囲う筒状の容器１８に、過冷却特性を有する酢酸ナトリウム溶液Ａを満たしたものであり、容器１８に取り付けられた起動器１９を作動することにより、酢酸ナトリウム溶液Ａに衝撃を与えて過冷却状態の平衡を崩して、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循環経路７の冷却水を温める。起動器１９は、容器１８内の取り付けリング１９ａに固定された薄い金属片１９ｂを、アクチュエータのロッド１９ｃで突いて弾性変形させ、酢酸ナトリウム溶液Ａに衝撃を与えるものである。
【００２５】
前記発熱器１５の起動器１９は、氷点下の寒冷時に燃料電池を始動させる前にスイッチ（図示省略）で作動され、酢酸ナトリウム溶液Ａの速やかな凝固反応により、循環経路７の配管内の冷却水が短時間で加温されるとともに、ポンプ１４の起動により、加温された冷却水が循環経路７を循環する。このとき、図３に示すように、循環経路７の切換弁１６はバイパス７ａ側に開けられ、加温された冷却水はスタック１内と水分回収器９内に存在する水分を温める。なお、起動器１９の作動で凝固した酢酸ナトリウム溶液Ａは、燃料電池の運転が開始されると、循環経路７を循環する冷却水の回収熱によって自然に液化復元される。
【００２６】
前記各排水弁１２は、凍結の恐れがある場合に、燃料電池を停止する前の所定時間（３分間程度）開けられ、水分回収経路８、加湿水経路１０および各加湿器１１に残る水分を排出するとともに、各ガス供給経路４、５から水素ガスと空気を無加湿でスタック１に供給して、スタック１内を適度な乾燥状態にする。このように、燃料電池の停止前にシステム内の水分を少なくしておくことにより、燃料電池始動前に発熱器１５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。なお、各排水弁１２は燃料電池の停止と連動して閉じられるようになっている。
【００２７】
上述した実施形態では、過冷却特性を有する溶液として酢酸ナトリウム溶液を用い、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。また、起動器は、冷却水の水温、スタック内の温度または外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るようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】燃料電池システムの実施形態を示す系統図
【図２】図１の発熱器を示す断面図
【図３】図１の燃料電池システムで発熱器を作動したときの状態を示す系統図
【符号の説明】
【００２９】
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  バイパス
８  水分回収経路
９  水分回収器
１０  加湿水経路
１１  加湿器
１２  排水弁
１３  排水口
１４  ポンプ
１５  発熱器
１６  切換弁
１７  逆止弁
１８  容器
１９  起動器
１９ａ  取り付けリング
１９ｂ  金属片
１９ｃ  ロッド
【図１】
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【図２】
2005149780.tif 000004
【図３】
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