JP5103708B2

JP5103708B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5103708B2
Application number: JP2004298665A
Authority: JP
Inventors: 好宏佐藤; 広志田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2024-10-13
Also published as: JP2006114267A

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは、システムを大型化することなく水の凍結を防止するための技術に係わる。

従来より、システム停止時、冷却水循環路内の冷却水をタンク内に回収することにより、燃料電池や冷却水循環路の内部で冷却水が凍結することを防止する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。そして、このような燃料電池システムによれば、システム停止時に冷却水が凍結することによって、システムが始動できない状態になったり、故障したりする等の問題が発生することを防止できる（例えば、特許文献１を参照）。
特開平６−２２３８５５号公報

しかしながら、従来までの燃料電池システムの構成によれば、冷却水を回収するための送風装置やタンクが必要になるために、燃料電池システムを小型に構成することが困難になる。また、従来までの燃料電池システムによれば、微量の付着水やシステム停止後に生成される凝縮水を除去することは困難なために、水の凍結を確実に防止することはできない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システムを大型化することなく水の凍結を防止可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、可動部又は狭小な流体流路を有し、且つ、熱容量が小さい小熱容量部品と、小熱容量部品よりも大きな熱容量を有する大熱容量部品とを備え、小熱容量部品と大熱容量部品は互いに熱の授受を行うことが可能なように配設されていると共に、前記大熱容量部品は前記燃料電池が複数積層された燃料電池スタックであり、前記小熱容量部品は、前記燃料電池に供給されるガスの圧力を検出する圧力センサ及び／又は前記燃料電池に供給されるガスの圧力を調整する圧力調整弁であり、前記小熱容量部品と前記燃料電池スタックは直接接触するように配設されている。

本発明に係る燃料電池システムによれば、システム停止時、大熱容量部品から小熱容量部品に熱が伝達され、小熱容量部品がシステム停止後すぐに冷却されることを防止し、システム全体の保温時間を長くするので、システムを大型化することなく水の凍結を防止できる。

以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態及び参考例となる燃料電池システムの構成について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１を備える。なお、燃料電池は固体高分子型燃料電池により構成され、そのアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す化学反応式（１）〜（３）による。

〔アノード〕Ｈ₂ → ２Ｈ+ ＋２ｅ- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔ガス供給系の構成〕
上記燃料電池システムのガス供給系は、燃料電池スタック１に水素や空気を供給するガス用配管２，ガス用配管２から燃料電池スタック１に供給される水素や空気の圧力を調整する圧力調整弁３，及びガス用配管２内部の水素や空気の圧力を検出する圧力センサ４を備える。このガス供給系は、圧力センサ４の検出結果に従って圧力調整弁３の開度を調整することにより、運転条件に応じた圧力の水素や空気を燃料電池スタック１に供給する。

〔圧力調整弁の構成〕
一般に、圧力調整弁は、ガス用配管を開閉する可動部分が非可動部分と接触又は近接する部分、若しくは、この部分の周辺部分に水が付着した状態で冷却された場合、付着水が凍結することにより可動部分が固定されることによって、開度を調整できなくなる。また、ガス用配管、特に圧力調整弁のガス通路内に水滴が付着した場合も同様、水滴が凍結することにより可動部分の動作が妨げられ、開度を調整できなくなる。そこで、この燃料電池システムでは、圧力調整弁３の可動部分とその周辺部分が受熱するように、可動部分直近の部品表面３ａは熱源となる燃料電池スタック１に接触するように配置されている。これにより、システム停止後も、燃料電池スタック１からの熱伝導によって圧力調整弁３の温度を高く保つことができるので、水が凍結することによって開度調整ができなくなることを防止できる。

〔圧力センサの構成〕
一般に、圧力センサは、検出ガスの圧力により変形する受圧面に水が付着した状態で冷却されると、付着水が凍結することにより受圧面の変形量が通常時と変化することによって、圧力を正確に検出できなくなる。また、検出ガスを受圧面まで導く導入管が狭小であり、この導入管内に水が付着している場合も同様、付着水が凍結することにより導入管内の圧力変化が受圧面に伝達されず、圧力を検出できなくなる。そこで、この燃料電池システムでは、圧力センサ４の受圧面と導入管部分直近が受熱するように、圧力センサ４の受圧面と導入管部分直近の部品表面は熱源となる燃料電池スタック１に接触するように配置されている。これにより、燃料電池スタック１からの熱伝導によって圧力センサ３の温度を高く保つことができるので、水が凍結することによって圧力を正確に検出できなくなることを防止できる。

なお、燃料電池スタックには、電気絶縁のために燃料電池部分に絶縁シートが巻かれていたり、絶縁剤が塗布されていることがあるが、一般に、絶縁シートや絶縁剤の膜厚は薄く、燃料電池スタックから外部への熱伝導にはほとんど影響を及ぼさない。従って、絶縁シートや絶縁剤を介して燃料電池スタック１と圧力調整弁３及び圧力センサ４を接触させたとしても、燃料電池スタック１から圧力調整弁３及び圧力センサ４への熱伝導を実現し、圧力調整弁３及び圧力センサ４の温度を高く保つことができる。

また、圧力調整弁３及び圧力センサ４は、発電停止直後に最も大量の熱を有していると考えられる燃料電池スタック１の燃料電池部分に接触させることが望ましい。また、燃料電池スタック１の上面部分に接触するように圧力調整弁３及び圧力センサ４を配設するようにすれば、ガス用配管２内のガスの自然対流によってガス用配管２内のガスに温度分布が生じ、圧力調整弁３及び圧力センサ４付近の配管内ガス温度を高く保つことができるので、システム全体の保温時間をより長くすることができる。

従来までの燃料電池システムでは、圧力調整弁３及び圧力センサ４は、図２に示すように燃料電池スタック１から離間して設けられ、また、システム停止時に保持している熱量は燃料電池スタック１より少ないために、システム全体の温度はすぐに低下していた。このため、従来までの燃料電池システムによれば、システム停止時、上述のような水の凍結による不具合が生じることがあった。これに対して、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、上述の通り、圧力調整弁３及び圧力センサ４と燃料電池スタック１とが互いに熱の授受を行うことが可能なように構成されている。そして、このような構成によれば、システム停止時、燃料電池スタック１から圧力調整弁３及び圧力センサ４に熱が伝達され、圧力調整弁３及び圧力センサ４がシステム停止後すぐに冷却することを防止し、システム全体の保温時間を長くすることができるので、システムを大型化することなく水の凍結を防止することができる。

参考例

本発明の参考例となる燃料電池システムは、燃料電池スタック１を収容するスタックケース５と、スタックケース５及び圧力調整弁３の可動部分直近の部品表面３ａに接触されたヒートパイプ６を備える。スタックケース５は、アルミニウム等の金属やＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）等の材料により形成され、物理的な衝撃や水掛かりから燃料電池スタック１を保護する。ヒートパイプ６の管内には少量の液体が真空封入されていると共に、その内壁部分に毛細管構造を備える。この燃料電池システムでは、ヒートパイプ６の燃料電池スタック１側の封入液体が燃料電池スタック１の熱を吸収し、潜熱を吸収することにより生成された蒸気がヒートパイプ６の管内を移動する。そして、管内を移動してきた蒸気は、ヒートパイプ６の圧力調整弁３側で潜熱を放出して、圧力調整弁３の可動部分を加熱する。また、潜熱を放出することにより凝縮した液体は、毛細管現象で再びヒートパイプ６の燃料電池スタック１側に戻る。

このような参考例となる燃料電池システムによれば、部品内の熱伝導だけでなく、スタックケース５やスタックケース５内部の空気の熱も圧力調整弁３の保温に利用し、燃料電池システム全体が冷却されるまで伝熱を行うことができるので、システムを大型化することなく水の凍結を防止することができる。また、参考例となる燃料電池システムでは、ヒートパイプ６により熱を圧力調整弁３に伝達しているので、部品の搭載スペースが限られる車両においても、効果的に熱を伝達することができる。なお、この参考例では、圧力調整弁３のみを保温しているが、圧力センサ４のみ、又は圧力調整弁３と圧力センサ４の双方を保温してもよい。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。従来までの燃料電池システムの構成を示す模式図である。参考例となる燃料電池システムの構成を示す模式図である。

１：燃料電池スタック
２：ガス用配管
３：圧力調整弁
４：圧力センサ
５：スタックケース
６：ヒートパイプ

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
可動部又は狭小なガス流路を有し、且つ、熱容量が小さい小熱容量部品と、
前記小熱容量部品よりも大きな熱容量を有する大熱容量部品とを備え、
前記小熱容量部品と前記大熱容量部品は相互に熱の授受を行うことが可能なように配設され、
前記大熱容量部品は前記燃料電池が複数積層された燃料電池スタックであり、前記小熱容量部品は、前記燃料電池に供給されるガスの圧力を検出する圧力センサ及び／又は前記燃料電池に供給されるガスの圧力を調整する圧力調整弁であり、
前記小熱容量部品と前記燃料電池スタックは直接接触するように配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記小熱容量部品は前記燃料電池スタックを構成する燃料電池に直接接触するように配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記小熱容量部品は、前記圧力センサの受圧面及び導入管部分が前記大熱容量部品から優先的に受熱するように配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記小熱容量部品は、前記圧力調整弁の可動部分及び当該可動部分の周辺部分が前記大熱容量部品から優先的に受熱するように配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記小熱容量部品は前記大熱容量部品の上方に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。