(57)【要約】【課題】システム内で発生する熱を有効利用することによって燃料電池スタックを暖機することを可能にする。【解決手段】熱交換器４０を燃料電池スタック２に取り付け、エアコンプレッサ１０により圧縮されて昇温された空気を熱交換器４０に供給する。熱交換器４０で熱交換に利用した空気は発電のための酸化剤ガスとして燃料電池スタック２に供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスとしての空気を供給するエアコンプレッサと、
前記燃料電池スタックに取り付けられ、前記エアコンプレッサにより圧縮されて昇温された空気が通される熱交換器と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換器を通過した空気は酸化剤ガスとして前記燃料電池スタックに供給されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックに至る空気の供給通路は、前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを直接接続する主通路と、前記主通路から分岐し前記熱交換器を経由してから再び前記主通路に合流する副通路とからなることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記主通路には前記エアコンプレッサで圧縮されて昇温された空気を冷却する冷却器が配置され、前記副通路は前記冷却器の上流で前記主通路から分岐して再び前記冷却器の上流で前記主通路に合流することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックに供給される空気のうち前記副通路を通って前記燃料電池スタックに供給される空気の流量を調整する流量調整手段を備えたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記流量調整手段は前記熱交換器の入口及び出口における空気の温度に基づいて前記熱交換器に通される空気の流量を調整することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記熱交換器は前記燃料電池スタック内に前記燃料電池スタックを構成する複数のセルと並んで配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記熱交換器は前記燃料電池スタックの端部でエンドプレートの内側に配置されていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記熱交換器は前記燃料電池スタックの端部に設けられている集電板と一体化されていることを特徴とする請求項８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、燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関し、特に、放熱による燃料電池スタックの温度低下を防止することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜を触媒電極で挟んで構成された膜電極接合体を最小単位（以下、セルという）とし、このセルが数十〜数百枚積層された燃料電池スタックとして使用されている。各セルには酸化剤ガスと燃料ガスとが供給され、それら反応ガスが膜電極接合体を挟んで反応することによってセル電圧が生じる。このセル電圧の総和が燃料電池スタックの出力電圧となる。
【０００３】
セルに電圧を生じさせる発電反応には、それが効率的に起きるための適正な温度範囲が存在する。この適正温度範囲は常温よりも高いが、発電反応は発熱反応であるので膜電極接合体の温度は自己発熱によって上昇する。このため、発電時には、膜電極接合体の温度が適正温度範囲を超えないように冷却水による冷却が行われている。ところが、冬場のように外気温が低い状況では、外部への放熱量が内部での発熱量を上回ってしまい適正温度範囲を維持できない可能性がある。特に燃料電池スタックの両端部付近のセルは、熱容量・熱伝導率の大きな集電板に大量の熱を奪われることになるため、内側のセルに比較して外部への放熱量が多く、膜電極接合体の温度低下が生じやすい。また、燃料電池スタックの冷間始動時には膜電極接合体の温度を速やかに上昇させるための特殊な運転方法が採られるが、その場合にも外側のセルは内側のセルに比べて温度上昇が遅く、燃料電池スタック全体として十分な発電性能が得られるようになるまでに時間を要してしまう。
【０００４】
このため、従来、低温環境での使用や低温状態からの始動を考慮した燃料電池システムでは、放熱による燃料電池スタックの温度低下を外部からの熱供給によって防止する手段が採られていた。その最も一般的な例が電気ヒータである。燃料電池スタックに電気ヒータを取り付け、電気ヒータを発熱させることによって燃料電池スタックの暖機が行われていた。
【０００５】
しかし、電気ヒータを発熱させるためには電力が必要であり、その電力はシステムの起動時にはバッテリーから、発電時には燃料電池スタックから直接供給することになる。つまり、燃料電池スタックによって発電した電力の一部を消費せざるを得ない。このため、電気ヒータによって暖機を行うシステムでは、電気ヒータによる電力消費の分だけ燃費が悪化してしまうという問題があった。
【０００６】
一方、下記に列挙した特許文献には、燃料電池スタックの発電によって発生した熱を利用する技術が開示されている。特に、特許文献２には、燃料電池スタックの熱を利用して酸化剤ガスとしての空気を温める技術が開示されている。しかし、これらの技術は、あくまでも燃料電池スタックに余分な熱があることを前提とした技術であるので、低温環境での使用や低温状態からの始動のように燃料電池スタックが熱を必要としている状況では用を成さない。
【特許文献１】特表２００２−５２２８９１号公報
【特許文献２】特開２００５−００５０７４号公報
【特許文献３】特開２００６−２５２９８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上のように、燃料電池スタックを暖気するための熱源として電気ヒータを用いる場合には、燃費の悪化という問題は避けられない。しかし、燃料電池スタックそのものを暖機のための熱源として利用することはできない。燃費を悪化させることなく燃料電池スタックを暖機するためには、システム内に存在する燃料電池スタック以外の熱源から燃料電池スタックに熱を供給できるようにする必要がある。
【０００８】
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、システム内で発生する熱を有効利用することによって燃料電池スタックを暖機することを可能にした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】
【０００９】
上記の目的を達成するため、第１の発明の燃料電池システムは、
酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスとしての空気を供給するエアコンプレッサと、
前記燃料電池スタックに取り付けられ、前記エアコンプレッサにより圧縮されて昇温された空気が通される熱交換器と、
を備えたことを特徴としている。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、
前記熱交換器を通過した空気は酸化剤ガスとして前記燃料電池スタックに供給されることを特徴としている。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、
前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックに至る空気の供給通路は、前記エアコンプレッサと前記燃料電池とを直接接続する主通路と、前記主通路から分岐し前記熱交換器を経由してから再び前記主通路に合流する分岐通路とからなることを特徴としている。
【００１２】
第４の発明は、第３の発明において、
前記主通路には前記エアコンプレッサで圧縮されて昇温された空気を冷却する冷却器が配置され、前記副通路は前記冷却器の上流で前記主通路から分岐して再び前記冷却器の上流で前記主通路に合流することを特徴としている。
【００１３】
第５の発明は、第４の発明において、
前記エアコンプレッサから前記燃料電池スタックに供給される空気のうち前記副通路を通って前記燃料電池スタックに供給される空気の流量を調整する流量調整手段を備えたことを特徴としている。
【００１４】
第６の発明は、第５の発明において、
前記流量調整手段は前記熱交換器の入口及び出口における空気の温度に基づいて前記熱交換器に通される空気の流量を調整することを特徴としている。
【００１５】
第７の発明は、第１乃至第６の何れか１項に記載の発明において、
前記熱交換器は前記燃料電池スタック内に前記燃料電池スタックを構成する複数のセルと並んで配置されていることを特徴としている。
【００１６】
第８の発明は、第７の発明において、
前記熱交換器は前記燃料電池スタックの端部でエンドプレートの内側に配置されていることを特徴としている。
【００１７】
第９の発明は、第８の発明において、
前記熱交換器は前記燃料電池スタックの端部に設けられている集電板と一体化されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
第１の発明によれば、エアコンプレッサにより圧縮されて昇温された空気を利用して燃料電池スタックを暖機することができる。
【００１９】
第２の発明によれば、暖機に利用された空気は発電のための酸化剤ガスとして燃料電池スタックに供給されるので、エアコンプレッサがした仕事を無駄にすることがない。
【００２０】
第３の発明によれば、熱交換器に回される空気をエアコンプレッサから燃料電池スタックに供給される空気の一部であるので、熱交換器による空気の圧力損失を抑えることができる。
【００２１】
第４の発明によれば、冷却前の高温の空気を熱交換器に通して燃料電池スタックを効果的に暖機することができるとともに、燃料電池スタック内には温度を適度に調整した空気を送ることができる。
【００２２】
第５の発明によれば、熱交換器を通る空気の流量の調整によって燃料電池スタックに供給する熱量を制御することができる。
【００２３】
第６の発明によれば、熱交換器の入口の空気温度と出口の空気温度を見ることによって燃料電池スタックの温度状況を正確に把握することができる。そして、その正確な把握に基づいて熱交換器に供給する空気の流量を適正に調整することができる。
【００２４】
第７の発明によれば、熱交換器は燃料電池スタック内にセルと並んで配置されているので、燃料電池スタックの内側から近接するセルに熱を供給することができる。
【００２５】
第８の発明によれば、特に冷えやすい端部のセルの温度低下を防止することができる。
【００２６】
第９の発明によれば、集電板と熱交換器との一体化によって端部のセルに対する熱交換効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を示す図である。この燃料電池システムは、多数のセル４の積層によって構成された燃料電池スタック２を備えている。各セル４は、図示は省略するが、膜電極接合体の両側をセパレータで挟んで構成されている。積層されたセル群の両外側には、図示省略の集電板とインシュレータとが順に配置されている。本実施の形態の燃料電池システムでは、さらにその外側に後述する熱交換器４０が配置され、その外側にエンドプレート６が配置されている。両側のエンドプレート６を図示省略の締結部材によって締結することで、セル４をはじめとする各積層体の位置決めと固定とが行われている。
【００２８】
燃料電池スタック２には、空気供給通路１２と空気排出通路１４とが接続されている。空気供給通路１２は、発電反応に必要な酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２に供給するための通路であって、エアコンプレッサ１０に接続されている。エアコンプレッサ１０は、吸入した空気を圧縮して空気供給通路１２に送り込む。エアコンプレッサ１０
の形式には特に限定はない。ルーツ式でもスクリュー式でもその他の形式でもよい。空気供給通路１２には、エアコンプレッサ１０で圧縮されて高温になった空気を冷却するためのインタークーラ１６が配置されている。空気供給通路１２から燃料電池スタック２に供給された空気は、積層された複数のセル４のそれぞれが備えるカソード側のガス流路に分配される。このようにして分配された空気は、それぞれの膜電極接合体のカソード側の面内を伝って流れた後、空気排出通路１４へ排出される。
【００２９】
燃料電池スタック２は、酸素と水素を反応させて発電を行うにあたり、各セル４のカソード側において水を生成する。このため、空気排出通路１４から排出されるガスには、水分が含まれている。空気供給通路１２においてインタークーラ１６の下流には加湿器１８が配置されている。この加湿器１８は、空気排出通路１４に含まれる水分を利用して、空気供給通路１２側の空気を加湿する機能を有している。また、空気排出通路１４において加湿器１８の上流には調圧バルブ２０が配置されている。
【００３０】
燃料電池スタック２には、水素供給通路２６及び水素排出通路２８とが接続されている。水素供給通路２８は、発電反応に必要な燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック２に供給するための通路であって、水素タンク３０に接続されている。水素供給通路２６から燃料電池スタック２に供給された水素は、積層された複数のセル４のそれぞれが備えるアノード側のガス流路に分配される。アノード側に供給された水素は、それぞれの膜電極接合体の面内を伝って流れた後、水素排出通路２８へ排出される。
【００３１】
水素排出通路２８は、逆支弁付の水素循環ポンプ３２を介して水素供給通路２６に接続されている。これにより、水素循環ポンプ３２を回転させることで、燃料電池スタック２から排出された水素は水素供給通路２６に送り込まれ、再び燃料電池スタック２に供給されることとなる。水素排出通路２８における水素循環ポンプ３２の上流には、気液分離器３６が配置されている。気液分離器３６には排気バルブ３８が接続されている。排気バルブ３８は閉状態をその基本状態とし、所定のパージ条件が成立した場合にのみ開くように制御されている。
【００３２】
図１に示すシステムの構成における特徴点の一つは、燃料電池スタック２内にセル４と並んで熱交換器４０が配置されていることである。この熱交換器４０はセル４や集電板とほぼ同じ大きさ（高さと幅）であり、外形的にセル４や集電板と一体になっている。この熱交換器４０は、内部に高温のガスが導入された場合に、そのガスの熱を奪って熱交換器４０の内側の側面、すなわち、セル４が配置されている側の側面から放熱する構造になっている。
【００３３】
熱交換器４０の入口側には、空気供給通路１２から分岐した熱交換器用空気の導入通路４２が接続されている。熱交換器４０では、導入通路４２によって空気供給通路１２から取り出された高温の空気が熱交換に利用される。導入通路４２はインタークーラ１６の上流において空気供給通路１２から分岐している。一方、熱交換器４０の出口側には、熱交換に使用した空気を空気供給通路１２に戻すためのリターン通路４４が接続されている。リターン通路４４の空気供給通路１２への接続点はインタークーラ１６の上流であって導入通路４２の分岐点の下流である。なお、空気供給通路１２は本発明にかかる「主通路」に相当し、熱交換器用空気の導入通路４２とリターン通路４４は「副通路」に相当する。
【００３４】
熱交換器用空気の導入通路４２には、そこを流れる空気の流量を調整するための流量調整バルブ５０が配置されている。また、導入通路４２において熱交換器４０の入口付近には、熱交換器４０に入る空気の温度を測定するための温度センサ４６が配置されている。リターン通路４４において熱交換器４０の出口付近には、熱交換器４０から出た空気の温度を測定するための温度センサ４８が配置されている。流量調整バルブ５０の開度の制御は、燃料電池システムの制御装置５２によって行われる。制御装置５２は温度センサ４６によって測定される入口空気温度と、温度センサ４８によって測定される出口空気温度とから燃料電池スタック２の内部温度を推定し、推定した内部温度に応じて流量調整バルブ５０の開度を制御している。流量調整バルブ５０、温度センサ４６，４８及び制御装置５２によって本発明にかかる「流量調整手段」が構成されている。
【００３５】
以上が本実施の形態の燃料電池システムの構成についての説明である。このような構成によれば、エアコンプレッサ１０により圧縮されて高温になった空気を利用して燃料電池スタック２を暖機することができる。また、熱交換器４０は燃料電池スタック２内にセル４と並んで配置されているので、燃料電池スタック２の内側からセル４に熱を供給することができる。また、セル４の中でも特に放熱しやすい端部のセル４の温度低下を防止することができ、積層方向におけるセル４間の温度分布を均一に近づけることができる。
【００３６】
さらに、本実施の形態の燃料電池システムの構成によれば、熱交換器４０において熱交換に利用された空気は、再び空気供給通路１２に戻されて燃料電池スタック２に供給される。したがって、エアコンプレッサ１０がした圧縮仕事が無駄になってしまうことはない。また、エアコンプレッサ１０によって圧縮された空気は、そのまま燃料電池スタック２に供給するには高温すぎるためにインタークーラ１６によって冷却される。このとき、空気が有する熱エネルギの一部は捨てられることになる。しかし、本実施の形態の燃料電池システムの構成によれば、エアコンプレッサ１０によって圧縮された空気の一部はインタークーラ１６による冷却前に熱交換器４０に通されるので、熱エネルギの無駄を抑えることができる。つまり、本実施の形態の燃料電池システムは、放熱によるセル４の温度低下を防止できるだけでなく、燃費の観点からも利点が大きい。
【００３７】
さらに、本実施の形態の燃料電池システムによれば、インタークーラ１６の小型化を図ることもできる。空気が有する熱エネルギの一部が熱交換器４０によって回収されるため、その分、インタークーラ１６の容量を小さくすることができるからである。また、熱交換器４０を通過した空気をインタークーラ１６に通すことで、流量調整バルブ５０によって熱交換に利用する空気の流量を変化させた場合でも、燃料電池スタック２に供給される空気の温度の変化は抑えることができる。
【００３８】
ところで、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、熱交換器４０は集電板と一体化してもよい。集電板は熱容量・熱伝導率が大きくて端部のセル４から熱を奪いやすい。この集電板に熱交換器４０を一体化すれば、端部のセル４に対する熱交換効率を高めることができる。また、部品点数を削減することもできる。
【００３９】
また、図１に示す燃料電池システムは水素を循環させながら運転するいわゆる循環型システムであるが、本発明は水素を循環させることなく燃料電池スタック内に止めた状態で運転するいわゆる循環レス型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００４０】
最後に、本発明の創案過程において案出された、上記実施の形態のものとは技術的特徴の異なる燃料電池システムについても説明する。図２はその燃料電池システムの構成を示す図である。図２に示すシステムの各要素のうち図１に示すシステムと共通する要素については同一の符号を付している。
【００４１】
図２に示すシステムは、燃料電池スタック２から排出された空気を利用して端部のセル４を暖機することに技術的特徴がある。つまり、温度が高い内側のセル４から放出された熱を排出空気と熱交換器４０とを介して端部のセル４に供給する仕組みである。具体的には、熱交換器４０の入口側には、空気排出通路１４から分岐した排出空気導入通路６２が接続されている。熱交換器４０では、排出空気導入通路６２によって空気排出通路１４から取り出された高温の排出空気が熱交換に利用される。排出空気導入通路６２は調圧バルブ２０の上流において空気排出通路１４から分岐している。一方、熱交換器４０の出口側には、熱交換に使用した排出空気を空気排出通路１４に戻すためのリターン通路６４が接続されている。リターン通路６４の空気排出通路１４への接続点は加湿器１８の下流である。なお、図２では省略しているが、熱交換器４０に導入する排出空気の流量を調整するための流量調整バルブを排出空気導入通路６２に設けるのが好ましい。流量調整バルブの開度は、熱交換器４０の入口空気温度と出口空気温度とに基づいて制御する。
【００４２】
図２に示す構成の場合、冷間始動直後のように燃料電池スタック２全体の温度が低い状況では効果は低いと考えられる。しかし、始動後しばらくして内側のセル４の温度が高くなってきたときには、上記実施の形態のものと同等の効果を得ることができる。また、図２に示す構成によれば、燃料電池スタック２からの廃熱を有効に利用することができるという利点がある。
【００４３】
以上説明した構成からは以下のような発明を見出すことができる。
酸化剤ガスとしての空気と燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの端部に前記燃料電池スタックを構成する複数のセルと並んで配置された熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出された空気を前記熱交換器に導入する排出空気導入通路と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態としての燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の創案過程において案出された燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
２  燃料電池スタック
４  セル
６  エンドプレート
１０  エアコンプレッサ
１２  空気供給通路
１４  空気排出通路
１６  インタークーラ
１８  加湿器
２０  調圧バルブ
２６  水素供給通路
２８  水素排出通路
３０  水素タンク
３２  水素循環ポンプ
３６  気液分離器
３８  排気バルブ
４０  熱交換器
４２  熱交換用空気の導入通路
４４  リターン通路
４６，４８  温度センサ
５０  流量調整バルブ
５２  制御装置
【図１】
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【図２】
2009238628.tif 000004