(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池と、
冷却水を循環させることにより前記燃料電池を冷却する冷却系と、を備えた燃料電池システムにおいて、
低温時に前記燃料電池の原燃料を使用して、前記燃料電池を氷点より高い温度に維持する加温装置と、
少なくとも前記燃料電池、前記加温装置、前記冷却系の一部を覆う断熱材層と、
前記断熱材層内に稼働時に生成された熱を蓄熱する蓄熱材層と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却系が前記冷却水を保有する水タンクと、前記水タンクから前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給系と、前記冷却水の熱を除去する不凍液系と、前記冷却水供給系と前記不凍液系との間の熱交換を行う熱交換器とから構成され、
少なくとも前記燃料電池、前記水タンク、前記加温装置、前記冷却水供給系、前記熱交換器を前記断熱材層が覆うように形成した請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記蓄熱材層を前記熱交換器を覆うことにより形成した請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池と前記水タンクの下側に前記加温装置と前記熱交換器を配置し、前記断熱材層内に気体が対流できる空間を形成し、かつ下部に温度センサーを配置し、前記温度センサーの測定値に基づいて前記加温装置の稼動を制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システム、特に燃料電池システム内の水の凍結を抑制する構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、固体高分子膜近傍やバイポーラプレートに純水を含んでいる。したがって、０℃以下の使用環境で燃料電池システムを停止させた場合には前述の純水が凍結し、システムの破損や起動エネルギーの増大、起動時間の延長という問題が発生する。
【０００３】
そこで特開２０００−２７７１３５においては、燃料電池本体を覆う断熱材と断熱材内部を外部から熱源を供給する形で加熱し、燃料電池本体の凍結を防止している。
【０００４】
また、特開２００１−１１８５９３においては、燃料電池本体内を循環する流体を加熱する蓄熱手段および燃焼式ヒータを備え、燃料電池本体の凍結を防止している。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、特開２０００−２７７１３５においては、加熱用の熱源を燃料電池システム外から提供しているため、エネルギー的に独立した系になっておらず、自動車等の移動手段に用いるのは困難であるという問題がある。
【０００６】
また、特開２００１−１１８５９３においては、蓄熱手段とシステム内熱源である燃焼式ヒータを使用しているが、保温機構が備わっていないために保温用の燃料が短期間に消費されてしまうという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、燃料システム内の保温を、断熱材による保温・システム内熱源による加温・稼動時の廃熱を効果的に組み合わせて低温環境下でのシステムの保護、起動時間の短縮を可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池と、冷却水を循環させることにより前記燃料電池を冷却する冷却系と、を備えた燃料電池システムにおいて、低温時に前記燃料電池の原燃料を使用して、前記燃料電池を氷点より高い温度に維持する加温装置を備え、少なくとも前記燃料電池、前記加温装置、前記冷却系の一部を断熱材層で覆い、かつ前記断熱材層内に稼働時に生成された熱を蓄熱する蓄熱材層を形成した。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、前記冷却系が前記冷却水を保有する水タンクと、前記水タンクから前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給系と、前記冷却水の熱を除去する不凍液系と、前記冷却水供給系と前記不凍液系との間の熱交換を行う熱交換器とから構成され、少なくとも前記燃料電池、前記水タンク、前記加温装置、前記冷却水供給系、前記熱交換器を前記断熱材層が覆うように形成した。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、前記蓄熱材層を前記熱交換器を覆うことにより形成した。
【００１２】
第４の発明は、第２または３の発明において、前記燃料電池と前記水タンクの下側に前記加温装置と前記熱交換器を配置し、前記断熱材層内に気体が対流できる空間を形成し、かつ下部に温度センサーを配置し、前記温度センサーの測定値に基づいて前記加温装置の稼動を制御する。
【００１３】
【作用及び効果】
第１または２の発明によれば、燃料電池、加温装置、冷却系の一部を断熱材層で覆うことで、低温下でのシステム停止時に断熱材層内の温度を保持しやすくなり、断熱材層内に稼働時に生成された熱を蓄熱する蓄熱材層を形成することで、システム稼動時に発生した熱をシステム停止時の保温に利用できる。
【００１４】
また、加温装置の燃料を、燃料電池の原燃料とすることで、燃料電池システムをエネルギー的に独立した系とすることができるので、移動体用燃料電池システムとして利用することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、蓄熱材層を熱交換器を覆うことにより形成することで、燃料電池システムの廃熱を蓄蔵することができ、また加温装置稼動時の温度上昇阻害を最小に留めることができる。
【００１６】
第４の発明によれば、断熱材層内に空気が対流できる空間を設けることで、断熱材層内の温度差により対流することができる。また、温度センサーを最下部に設置することにより、対流している断熱材層内でも低温度の空間の温度を測定することができるので、断熱材層内での凍結を確実に防ぐことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態における燃料電池システムの主に保温対象となる部分を示している。本実施形態においては、固体高分子形燃料電池システムを車に搭載した場合を考える。
【００１８】
固体高分子形燃料電池１（以下、燃料電池１）は、電気化学反応により反応ガスである水素含有ガスと空気などの酸化剤ガスの間に働く化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、駆動源として車に搭載した場合には生成された電力により車の走行用電動モータを駆動させる。燃料電池１には、水素供給系１１、空気供給系１２を通して反応に必要なガスを供給し、反応後には、燃料極排出系１３、空気極排出系１４により使用済みガスを排出する。
【００１９】
また燃料電池１での発電においては、燃料の持つ化学エネルギーのうち電気エネルギーに変換できない分は熱エネルギーとして放出される。反応を円滑に進行させるために、発生した熱エネルギーは水タンク２から燃料電池１内へ循環する冷却水により燃料電池１から除熱される。この冷却では、熱交換器３において燃料電池１に冷却水としての純水を供給する冷却水供給系１５と純水から廃熱を回収する不凍液系１６との間で熱交換を行うことにより、冷却水供給系１５を循環する冷却水の温度を燃料電池１の冷却が可能な温度に戻す。不凍液系１６には、エチレングリコール、グリセリンなどの凝固点降下剤により環境温度が氷点下になっても凍結しない不凍液を循環させる。また、熱交換により高温となった不凍液系１６の放熱部としてラジエータ６を備える。不凍液系１６の流量の調整は不凍液系ポンプ７により行い、この調整により燃料電池１の冷却を行う冷却水供給系１５の温度を、つまりは燃料電池１の温度を制御する。
【００２０】
ところで、このような燃料電池１は通常約８０℃程度で作動するが、寒冷地での移動等の場合には燃料電池の環境温度が氷点下にまで下がることがある。燃料電池１においては、カソード極（酸素極）で反応生成物として水を生じるとともに、アノード極（水素極）には反応を潤滑に行うために水素ガスを加湿した状態で供給するため、環境温度が氷点下の時にはこれらの水が凍結してしまう場合がある。これにより、燃料電池１に余計な負荷がかかったり、燃料電池システムの起動に時間がかかったり、または起動に余分の燃料が必要になったりするという問題がある。
【００２１】
そこで本実施形態においては、燃料電池１、水タンク２、熱交換器３を覆うように断熱材層９を配置し、また断熱材層９の内部側に加温装置４、温度センサー５を設置するとともに、熱交換器３を覆うように蓄熱材層１０を配置した。
【００２２】
断熱材層９は不凍液系１６の一部とその放熱部であるラジエータ６以外の燃料電池１、水タンク２、熱交換器３および温度センサー５、加温装置４を覆うように配置する。これにより、システム停止時には、燃料電池１の稼動中に発生した熱の残熱をシステム構成部品の保温に有効に使用することができる。ここで、燃料電池１のみならす水タンク２を断熱材層９内に配置することで、環境温度が氷点下になっても燃料電池１とともに水タンク２および冷却水供給系１５内の水も凍結することがないので、燃料電池システムの起動時に、起動時間を短縮することができる。ここで、不凍液系１６の一部はシステム外にあるが、エチレングリコール、グリセリンなどの凝固点降下剤の濃度を氷点下で凍結しないように設定することで凍結を回避することができる。一方、システム運転中には、燃料電池１で発生した熱は、熱交換器３からの高温不凍液を効率よく断熱材層９外に循環させることにより除去することができる。
【００２３】
熱交換器３における熱交換の際に熱交換器３自身が得た熱を、システム停止時の温度維持に適用するために、熱交換器３を蓄熱材層１０で覆う。蓄熱材層１０が熱交換器３のみを覆うので、システム運転中の廃熱のみを蓄熱させシステム停止時の保温に利用することができ、後述する加温装置４の動作時の温度上昇阻害を最小限に留めることができる。
【００２４】
蓄熱材層１０および断熱材層９によってシステム停止後も保温が可能であるが、低温環境下で長期にわたり停止していると温度を維持するのが困難になる。そこで、断熱材層９内にガソリン、メタノール、水素等の車載原燃料による触媒燃焼器、バーナ等よりなる加温装置４を設置する。加温装置４は、燃料電池システムが氷点下の環境で停止し運転中の残熱を消費してしまった場合にも、車載燃料を保持する間、加温により断熱材層９の雰囲気温度を氷点以上に上昇させ、加温による温度上昇を断熱材層９で保温することにより加温に要する消費燃料を最小限に留めることができる。また、加温装置４の燃料を燃料電池１の原燃料とするので、燃料電池システム外に電源や熱源を必要とせず、エネルギー的に独立した系となり移動体用の駆動源として適している。
【００２５】
断熱材層９内のシステム構成部と断熱材層９との間には気体が対流可能な空間を有する構造とし、加温装置４および熱交換器３を燃料電池１および水タンク２の下方に配置する。これにより、熱交換器３および加温装置４が熱源となる際に、熱交換器３および加温装置４により温度が上昇した空気は断熱材層９内の上部へ低温の空気は下部へ移動するので、断熱材層９内を空気が対流し、ブロア等の設備を追加することなく断熱材層９内全体を氷点以上に維持することができる。
【００２６】
また、加温装置４を稼動するかどうか判断するために、断熱材層９内に温度センサー５を設置する。温度センサー５は、断熱材層９内の温度が氷点下にならないように測定を行うため、断熱材層９内で温度の低い最下部に配置される。温度センサー５の測定結果が、ある所定の温度以下になったら、加温装置４を稼動する。このように温度センサー５を設置することで、対流している断熱材層９内でも低温度の空間の温度を測定することができるので、断熱材層９内での凍結を確実に防ぐことができる。
【００２７】
以上のように燃料電池システムを構成し、−２０℃雰囲気下でシステムを停止した場合の燃料電池１の温度変化を図２に示す。ここでは、断熱材層９、蓄熱材層１０および加温装置４を備えた本実施形態と比較するために、断熱材層９、蓄熱材層１０および加温装置４の全てを備えない比較例１を同時に示す。また、断熱材層９と加温装置４のみを備えた場合の比較例２についての燃料電池１の温度変化も同時に示す。
【００２８】
図２より明らかなように、本実施形態における燃料電池１が最も長い間残留熱により保温が維持され、次に比較例２における保温が長く維持されている。また、実施形態および比較例２においては、燃料電池温度が氷点下にならないように加温装置４が稼動するので、残熱の維持が困難になってからでも０℃を保っているが、比較例１については、雰囲気温度―２０℃まで低下してしまうので、燃料電池１内の水分が凍結する。
【００２９】
このように、断熱材層９および蓄熱材層１０により燃料電池１の残熱を維持し、システムのより長い時間の保温が可能となり、また、保温が困難になっても、燃料電池１の原燃料を燃料とする加温装置４により温度維持が可能となる。その結果、燃料電池１内の水分および冷却水供給系１５の凍結を防止することができるので、システムに余分な負荷をかけることを避け、また起動時間の短縮および起動に必要な燃料を低減することができる。また、このような燃料電池システムはエネルギー的に独立しているので、車等の移動体の駆動源として利用できる。
【００３０】
本実施形態においては、蓄熱材層１０を熱交換器３のみを覆うように形成したがこの限りではなく、断熱材層９内の稼動時に生成された熱を蓄熱できる位置に形成することができる。また、燃料電池１、水タンク２、加温装置４、熱交換器３、冷却水供給系１５、不凍液系１６の一部、水素供給系１１の一部、酸素供給系１２の一部、燃料極排出系１３の一部、空気極排出系１４の一部を前記断熱材層が覆うように形成したが、燃料電池１、水タンク２、加温装置４および冷却水供給系１５を覆うようにあるいは、反応ガスを加湿する加湿系を追加して形成してもよい。
【００３１】
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態の保温効果を示す図である。
【符号の説明】
１    燃料電池
２    水タンク
３    熱交換器
４    加温装置
９    断熱材層
１０  蓄熱材層
１１  水素供給系
１２  酸素供給系
１３  燃料極排出系(ガス排出系)
１４  空気極排出系（ガス排出系）
１５  冷却水供給系
１６  不凍液系
【図１】
0003815303.tif 000002
【図２】
0003815303.tif 000003