JPH06140065A - 燃料電池発電システム - Google Patents

燃料電池発電システム

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JPH06140065A
JPH06140065A JP5076761A JP7676193A JPH06140065A JP H06140065 A JPH06140065 A JP H06140065A JP 5076761 A JP5076761 A JP 5076761A JP 7676193 A JP7676193 A JP 7676193A JP H06140065 A JPH06140065 A JP H06140065A
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JP
Japan
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fuel cell
power generation
generation system
fuel
secondary battery
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Application number
JP5076761A
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English (en)
Inventor
Hiroyasu Yoshizawa
弘泰 吉沢
Atsuo Muneuchi
篤夫 宗内
Shuji Yamada
修司 山田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to DE4329323A priority patent/DE4329323C2/de
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２次電池の性能低下が防止され、電気車両用
の電源などとしても好適する燃料電池発電システム、お
よび耐振動性などか改善して信頼性の向上を図った燃料
電池発電システムの提供を目的とする。 【構成】 液体燃料および水を主成分とする原料を燃焼
ガスで加熱・分解し、水素ガスを生成する改質器と、電
解質層の一主面に配設された燃料電極、他主面に配設さ
れた酸素電極を備え、かつ前記改質器で生成された水素
ガスを燃料電極に取り込み発電し、所定の負荷に定常的
な電力を供給する燃料電池と、前記負荷に少なくとも負
荷始動時もしくは負荷変動時に所要の電力を供給する２
次電池と、前記燃料電池および２次電池からの電力供給
を切替え可能な電力供給切替え手段とを具備して成る燃
料電池発電システムにおいて、前記改質器で原料の加熱
・分解に用いた燃焼ガスを燃料電池側に導き、燃料電池
を始動可能な温度に加熱する燃料電池加熱手段を具備さ
せたことを特徴とす。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池発電システムに
係り、さらに詳しくは、たとえば電気自動車など電気車
両用の駆動（動力）源に適する燃料電池発電システムに
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ガソリンなどを燃料とする内燃機
関に対して、排気ガスを出さずに、騒音も小さい電気自
動車などが注目されている。そして、電気自動車などに
おいては、電池から供給する電力で、車輪を回転させる
駆動モータを駆動するため、駆動源を成す電池の性能
が、電気自動車など電気車輌の実用化で大きな課題を成
しているといえる。すなわち、電気車輌の駆動源を成す
電池には、軽量でコンパクトなこと、十分な走行距離の
確保が可能なエネルギーを保存し得ることなどが要求さ
れる。しかしながら、従来一般的に使用されている電
池、たとえば鉛蓄電池などの２次電池の場合は、前記要
求が十分に満たされないばかりでなく、充電に要する時
間も長いという問題がある。
【０００３】上記電気車輌の駆動源として要求される性
能のうち、十分な走行距離を確保し得る電池として、た
とえばメタノールなど液体燃料を改質器で水素に分解・
改質し、この水素を燃料ガスとして酸素と反応させるこ
とによって、発電を行う型の燃料電池が注目されてい
る。つまり、このタイプの燃料電池の場合は、容量の小
さい液体として保存されながら、多量の燃料ガス（水
素）の供給が可能なため、十分な走行距離に耐えるエネ
ルギーを確保・保存し得るからである。
【０００４】図18は、前記燃料電池および２次電池を組
合わせ・構成した電気車輌用燃料電池発電システムの要
部構成を示す概略図であり、１は燃料電池本体、２は改
質器である。ここで、燃料電池本体１は電解質板1a、こ
の電解質板1aの一主面に配設された燃料電極1b、電解質
板1aの他主面に配設された酸素電極1cを単位セルとした
複数の単位セルを積層したセル積層体として構成されて
おり、また発電動作時に、冷却剤（空気）取込み口４か
ら取込まれ、かつ冷却剤予熱器５を介して供給される冷
却剤で冷却を行う冷却体1dが付設されている。
【０００５】一方、改質器２は、燃料（たとえばメタノ
ール）タンク3aおよび水タンク3bから、それぞれ供給さ
れる液体燃料（メタノールなど）および水を蒸発器６で
気化した形で取込み、内蔵しているバーナ2aによって加
熱・分解し、燃料ガスとしての水素を発生する構成を成
している。そして、改質器２で発生した水素ガスは、前
記燃料電池本体１の燃料電極1bに供給され、また酸素電
極1cに空気取入れ口７から取入れた空気（酸素）と酸素
電極1cで反応して所要の発電を行う。この酸素電極1cで
発電に寄与した後の空気には、多量の水分が含まれてい
るので、水回収器８で水分を回収してから空気排気口９
より排気され、回収された水は水タンク3bに戻される。
さらに、前記燃料電池本体１での発電反応は、発熱反応
であるため、上記冷却剤（空気）取込み口４から取込ま
れ、かつ冷却剤予熱器５を介して供給され、冷却体1dで
冷却に寄与した冷却剤は冷却剤排出口10から排出され
る。しかしながら、燃料電池本体１は内蔵する電解質の
種類にもよるが、作動（発電作用）温度が 200〜 650℃
程度と高く、始動時には加熱を要するので、始動までに
時間がかかるという問題があるばかりでなく、定常的な
作動過程で、たとえば自動車の加速，減速など負荷変動
に対する応答性も劣るという問題もある。このような問
題に対して、十分な走行距離を確保するためのエネルギ
ーを燃料電池で担い、始動時や負荷変動時の電力（エネ
ルギー）を２次電池で確保するというハイブリッド発電
システムが提案されている。さらに、燃料電池本体１が
発電可能な温度に到達するまで、２次電池を用いて加熱
・昇温させることも知られている。すなわち、始動時な
どにおいては、冷却剤予熱器５の電源として２次電池
（図示せず）を用い、冷却剤を燃料電池本体１の加熱媒
体とする手段も採られている。なお、この燃料電池本体
１および２次電池を組合わせたハイブリッド発電システ
ムにおいては、２次電池の充電を燃料電池本体１で行う
構成とすることにより、充電時間を低減し得る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成のハイブリッド発電システムの場合は、実用上次のよ
うな不都合な問題が認められる。すなわち、前記したよ
うに燃料電池は、たとえばリン酸を電解質とした場合 2
00℃前後で作動し、また溶融塩を電解質とした場合 650
℃前後で作動する。つまり、前記燃料電池が発電可能と
なるためには、相当の高温に加熱する必要があり、たと
えば併設した２次電池を熱源として利用したとき、昇温
に比較的長時間（たとえば 1時間）を要するので、２次
電池の消耗が激しいという問題があるばかりでなく、発
電中においては燃料電池本体１周辺に高温の熱が放出さ
れる。
【０００７】一方、この種の燃料電池発電システムを電
気車輌用に適用する場合、搭載・設置可能なスペースに
制限があるため、所要の負荷（たとえば駆動モータ，エ
アコン，照明など）に電力を供給する燃料電池本体１お
よび鉛蓄電池などの２次電池（図示せず）は、必然的に
互いに近接して設置されることになる。ところで、前記
燃料電池本体１からの熱放出により、その放熱領域に設
置されている２次電池、たとえば鉛蓄電池，ニッケル・
亜鉛電池，ニッケル・カドミウム電池なとは、前記放熱
による加熱で構成材料の劣化、充放電可能サイクルの低
減、あるいは液漏れなどが発生して、性能が容易に低下
するという問題がある。
【０００８】さらに、電気車両用燃料電池発電システム
は、車両の走行時の振動や、発進・停止時の加速度など
によって、振動・衝撃を受けるので、燃料電池本体を構
成するセル積層体にズレが生じ易いという問題がある。
また、燃料電池からコンバータ（図示せず）を介して駆
動モータなどの負荷に供給される電力は、通常100A程度
もしくはそれ以上に達するので、燃料電池とコンバータ
ー間を図19に斜視的に示すように、ニッケルなど電気良
電導体金属板から成る分厚い帯板状のブスバー11で接続
している。しかし、このブスバー11も車両の走行時の振
動や、発進・停止時の加速度などによって、前記燃料電
池およびコンバーターに対するボルト締めなどによる連
結部に緩みが生じ、電気的な接触抵抗の増大を招来す
る。したがって、前記ブスバー11に大電流が流れるの
で、ブスバー11が発熱して酸化され、益々抵抗増加を招
き燃料電池本体１の急激な性能低下を招来し易いという
問題がある。いずれにしても、燃料電池の特性および２
次電池の特長を巧みに組み合わせ、電気車輌用電源とし
ての実用の試みも、未だ有効な手段として評価されるに
至っていないのが現状（実情）である。
【０００９】本発明は上記事情に対処してなされたもの
で、２次電池の性能低下が防止され、電気車両用の電源
としても好適する燃料電池発電システム、および耐振動
性などか改善して信頼性の向上を図った燃料電池発電シ
ステムの提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明に係る第１の燃料
電池発電システムは、液体燃料および水を主成分とする
原料を燃焼ガスで加熱・分解し、水素ガスを生成する改
質器と、電解質層の一主面に配設された燃料電極、他主
面に配設された酸素電極を備え、かつ前記改質器で生成
された水素ガスを燃料電極に取り込み発電し、所定の負
荷に定常的な電力を供給する燃料電池と、前記負荷に少
なくとも負荷始動時もしくは負荷変動時に所要の電力を
供給する２次電池と、前記燃料電池および２次電池から
の電力供給を切替え可能な電力供給切替え手段とを具備
して成る燃料電池発電システムにおいて、前記改質器で
原料の加熱・分解に用いた燃焼ガスを燃料電池側に導
き、燃料電池を始動可能な温度に加熱する燃料電池加熱
手段を具備させたことを特徴とす。本発明に係る第２の
燃料電池発電システムは、電解質層の一主面に配設され
た燃料電極、他主面に配設された酸素電極を備え、所定
の負荷に定常的な電力を供給する燃料電池と、前記負荷
に少なくとも負荷始動時もしくは負荷変動時に所要の電
力を供給する２次電池と、前記燃料電池および２次電池
からの電力供給を切替え可能な電力供給切替え手段とを
具備して成る燃料電池発電システムにおいて、 前記燃
料電池電解質層がイオン導電性を有する高分子膜系で形
成され、かつ２次電池が非水系もしくは固体電解質系の
リチウム２次電池であることを特徴とする。
【００１１】本発明に係る第３，４の燃料電池発電シス
テムは、電解質層の一主面に配設された燃料電極、他主
面に配設された酸素電極を備えて成る燃料電池と、前記
燃料電池での発電を電気良導体から成るブスバーで連結
されたコンバーターを介して所定の負荷に電力を供給す
る燃料電池と、少なくとも前記ブスバーで連結されたコ
ンバーターおよび燃料電池を設置する共通架台と、前記
共通架台およびこの共通架台を取付ける取付けベースと
の間に介在させた緩衝材とを具備して成ることを特徴と
し、さらに、この構成において、燃料電池本体が絶縁体
層を介し、固定手段により共通架台に固定・装着されて
いることを特徴とするものである。
【００１２】前記第２の本発明において、燃料電池本体
の電解質層を成すイオン導電性を有する高分子膜として
は、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー，スルホ
ン酸基を有するポリスチレン系の陽イオン交換膜などが
挙げられる。
【００１３】さらに、２次電池として併設するリチウム
電池が具備する負極としては、たとえばリチウム金属、
リチウム合金（LiAl，LiPb，LiSn，LiBiなど）、リチウ
ムイオンを吸蔵・放出ポリアセタール，ポリアセチレ
ン，ポリピロールなど導電性高分子や有機物焼成体（炭
素材）などが挙げられ、炭素材系の負極の場合は安全性
などの点で好ましい。ここで、炭素材としては、たとえ
ば石油ピッチ，コールタール，重質油，合成ピッチ，合
成高分子，有機樹脂などを焼成することにより得られた
コークス，炭素繊維，球状炭素体，グラファイト類など
が挙げられる。そして、この炭素材系の負極の場合は、
容量，サイクル寿命などにすぐれている。また、正極と
しては、二酸化マンガン，リチウムマンガン複合酸化
物，リチウム含有ニッケル酸化物，リチウム含有コバル
ト酸化物，リチウム含有バナジウム酸化物，二酸化チタ
ン，二硫化モリブデンなどのカルコゲン化合物などで構
成されたものが挙げられ、特に、リチウムマンガン複合
酸化物，リチウム含有ニッケル酸化物，リチウム含有コ
バルト酸化物などで形成されたものは高電圧が得られる
ので好ましい。一方、このリチウム電池の電解液として
は、たとえば過塩素酸リチウム，六フッ化リン酸リチウ
ム，ホウフッ化リチウム，六フッ化砒素リチウム，トリ
フルオロメタスルホン酸リチウム，ビストリフルオロメ
チルスルホニルイミドリチウムなどのリチウム塩を電解
質とし、たとえばプロピレンカーボネート，エチレンカ
ーボネート，ジメチルカーボネート，ジエチルカーボネ
ート，テトラヒドロフラン，2-メチルテトラヒドロフラ
ン，γブチロラクトン，1,2-ジメトキシエタン，ジエト
キシエタン，1,3-ジオキソラン，1,3-ジメトキシプロパ
ンなどを溶媒する非水性の物が一般的である。また、リ
チウム電池の固体電解質としては、たとえばポリエチレ
ンオキシドユニットを分子中に有するポリプロピレンオ
キシド系，ポリプロピオールアセテート系、側鎖にエチ
レンオキシドを有するポリメタアクリル酸エステル系、
あるいはこれらの誘導体と前記リチウム塩との複合体な
どが挙げられる。
【００１４】
【作用】上記第１の発明の場合は、改質器からの高温の
燃焼ガスを燃料電池（本体）側に流し、燃料電池本体を
加熱することにより、燃料電池本体の始動時の短縮化が
容易に、かつ確実に図られる。
【００１５】また、第２の発明の場合は、燃料電池の電
解質層として、低温（たとえば40〜100℃）で作動する
イオン導電性を有する高分子膜を具備した構成とし、ま
た、非水性電解溶液、あるいは固体電解質を用いた構成
のリチウム２次電池を２次電池として用いたことによ
り、このリチウム二次電池は燃料電池本体の作動温度領
域において、充放電特性などを良好に維持することがで
きる。つまり、この燃料電池発電システムによれば、定
常的な発電に寄与する燃料電池本体は比較的低温、たと
えば40〜 100℃で容易に所要の発電をなす一方、前記燃
料電池本体の発電が比較的低温で行われることに伴い、
補助的に電力供給に関与するリチウム２次電池も高温化
の恐れが低減し、むしろ前記燃料電池本体の動作温度領
域では良好な充放電特性を呈するので、電気車両用の電
源などとして要求される機能、すなわち十分な走行距離
を確保するエネルギーを燃料電池本体で担い、始動時や
負荷変動時の電力（エネルギー）を２次電池で確保する
という機能を確実に発揮することになる。
【００１６】さらに、第３および４の発明の場合は、少
なくとも分厚い帯板状の電気良導体金属板から成るブス
バーで連結された燃料電池本体とコンバータとを、振動
緩衝材を介して同一の架台上に設置したことにより、た
とえば車両の振動などによる燃料電池本体とコンバータ
の相対変位を、同位相として抑制することができるの
で、ブスバーの燃料電池とコンバータとの連結部の緩み
を防止することができ、これによって接触抵抗の増大や
発熱による酸化なども防止される。
【００１７】
【実施例】以下、図１〜図17を参照して本発明の実施例
を説明する。
【００１８】実施例１ 図１は、本発明の第１実施例に係る電気車両用燃料電池
発電システムを示す概略構成図である。
【００１９】図１に示すように、この電気車両用燃料電
池発電システムは、水素と酸素を取込んで電気を発生す
る燃料電池本体12と、液体燃料であるメタノールと水と
を原料にして高温雰囲気触媒下で水素を生成し、前記燃
料電池本体12に供給する改質器13と、鉛蓄電池などの２
次電池14を備えている。そして、前記燃料電池本体12
は、燃料電極 12b、電解質板 12a、酸素電極 12cを単位
セルとして、この単位セルを複数積層したセル積層体か
ら成り、燃料電池本体12には、発電時に冷却材（空気）
を取込んで燃料電池本体12の冷却を行う冷却板 12dが配
設されている。また、前記水素を生成する改質器13に
は、蒸発器15を介してメタノールが貯蔵されている燃料
タンク 16aと水が貯蔵されている水タンク 16bが接続さ
れている。ここで、前記蒸発器15と燃料タンク 16a、水
タンク 16bとの間は、それぞれ配管17a,17b で連結さ
れ、改質器13と蒸発器15との間は、配管 17cで連結され
ている。 さらに、前記改質器13に一端側が接続されて
いる第１の燃焼ガス排気管18は、途中で第２、第３の燃
焼ガス排気管 18a,18bに分岐され、第２の燃焼ガス排気
管 18aを燃料電池本体12の冷却板 12d側に接続して、第
３の燃焼ガス排気管 18bを燃焼ガス排気口19側にそれぞ
れ接続し、改質器13内に設けたバーナ 13aの燃焼による
燃焼ガスを、冷却板 12d側と燃焼ガス排気口19側にそれ
ぞれ流すことができる。なお、前記第２、第３の燃焼ガ
ス排気管 18a,18bには、それぞれ燃焼ガスの流入を制御
するバルブ 20a,20bが取付けられている。
【００２０】さらにまた、前記改質器13に一端側が接続
されている水素排出管21の他端側は燃料電池本体12の燃
料電極 12bの入口側に接続されており、また、酸素電極
12cの入口側には、配管22を介して空気取入れ口23が接
続されている。一方、燃料電池本体12の酸素電極 12cの
排気側と水タンク 16bとの間には、熱交換器24と水回収
器25とが配管 26a,26b,26cを介して接続されており、前
記熱交換器24と燃料電池本体12の冷却板 12d間は、配管
26dで連結されている。また、熱交換器24には空気等の
冷却材取入れ口27が接続され、水回収器25には空気排気
口28が接続されており、さらに燃料電池本体12の燃料電
極 12b排気側と改質器13との間、および燃料タンク 16a
と改質器13との間は、それぞれ配管29，30で連結されて
いる。
【００２１】そして、前記燃料電池本体12および鉛蓄電
池などを複数積層して構成される２次電池14は、コンバ
ータ31と切換えスイッチ32a,32b を介して接続されてお
り、燃料電池本体12または２次電池14、あるいはその両
方で発生する電力は、自動車の駆動モータなどの負荷33
に供給され、また、２次電池14は、燃料電池本体12から
の電力によって充電されるこの構成を成している。
【００２２】次に、上記構成の電気車両用燃料電池発電
システムの動作について説明する。燃料タンク 16aおよ
び水タンク 16bから配管 17a,17bを介してそれぞれ供給
されるメタノールと水は、蒸発器15で気化され改質原料
となって、配管 17cを介して改質器13内に供給される。
そして、前記改質原料を外部から供給される空気と、配
管30を介して燃料タンク 16aから供給されるメタノール
とで燃焼するバーナ13aによって加熱され水素を生成す
る。
【００２３】前記により改質器13で生成された水素は、
水素排出管21を介して燃料電池本体12の燃料電極 12bに
供給され、さらに、空気取入れ口23から配管22を介して
空気（酸素）が燃料電池本体12の酸素電極 12cに供給さ
れる。そして、冷却材取入れ口27から取込まれる冷却
材、たとえば空気を熱交換器24で加熱し、配管 26bを介
して燃料電池本体12の冷却板 12dに供給する。
【００２４】燃料電池本体12の始動時には、第２の燃焼
ガス排気管 18aのバルブ 20aを開にし、第３の燃焼ガス
排気管 18bのバルブ 20bを閉にして、改質器13のバーナ
13aによる燃焼ガスを第１、第２の燃焼ガス排気管18,1
8aを介して、燃料電池本体12の冷却板 12d側に流し、冷
却板 12dに供給される冷却材である空気をさらに加熱し
て、燃料電池本体12を短時間（たとえば20〜30分程度）
で所定温度（たとえば80℃）まで上昇させ、この燃料電
池本体12が所定温度に達すると発電が開始される。そし
て、燃料電池本体12で発電が開始されるまでの始動時の
間は、２次電池14から負荷33に電力を供給し、燃料電池
本体12で発電が開始されると切換えスイッチ32a,32b を
２次電池14から燃料電池本体12側に切換えて、燃料電池
本体12で発電される電力をコンバータ31を介して負荷33
に供給する。
【００２５】前記燃料電池本体12で発電が開始される
と、第２の燃焼ガス排気管 18aのバルブ 20aを閉にし、
第３の燃焼ガス排気管 18bのバルブ 20bを開にして、改
質器13からの燃焼ガスを燃焼ガス排気口19より排気す
る。また、燃料電池本体12の燃料電極 12bから排出され
る未反応水素は配管29を介して改質器13のバーナ 13aに
供給され、外部から供給される空気（酸素）とで燃焼さ
れるので、燃料タンク 16aからのメタノールの供給は軽
減される。
【００２６】また、燃料電池本体12の酸素電極 12cから
排気される空気（酸素）は、配管26a を介して熱交換器
24に回収される。ここで酸素電極 12cから排気される空
気には多量の水分が含まれているので、この空気を配管
26bを介して水回収器25に供給して水分を回収し、この
水回収器25で回収された水は配管 26cを介して水タンク
16bに供給される。一方、空気は空気排気口28から排気
される。冷却板 12dに供給された空気は配管34を介して
冷却材排気口35に排気される。
【００２７】なお、燃料電池本体12の始動時は、燃料電
池本体12を加熱するために冷却板13d に改質器13からの
燃焼ガス混入により加熱した空気を供給したが、燃料電
池本体12の発電中は、冷却材取入れ口27から熱交換器24
に取込んだ冷却材である空気を配管 26dを介して冷却板
12dに供給して燃料電池本体12を冷却する。
【００２８】この実施例では、燃料電池本体12の始動時
に改質器13のバーナ13a による燃焼ガスを燃料電池本体
12の冷却板 12dに流し、冷却板 12dに供給される空気を
加熱して燃料電池本体12を短時間で所定の温度まで上昇
させることによって、燃料電池本体12の始動時の時間の
短縮を図ることができる。
【００２９】実施例２ 図２は、本発明の第２実施例に係る電気車両用燃料電池
発電システムを示す概略構成図である。
【００３０】本実施例では、燃料電池本体12の冷却板 1
2dに供給する冷却材として液体（たとえば水）を使用す
る構成の燃料電池本体12を用いた場合であり、前記冷却
板12dの冷却材の入口側と排出側には、それぞれ配管 36
a,36b,36cを介して冷却材余熱器37および放熱器38が接
続されている。ここで、冷却材余熱器37には、改質器13
からの第２の燃焼ガス排気管 18aと、第３の燃焼ガス排
気管 18bに連通する配管39が接続されており、また、前
記配管36b,36c 間にはバルブ40を有する配管36dが接続
されている。他の構成および動作は、前記図１に図示し
た構成の場合と同様である。
【００３１】本実施例では、燃料電池本体12の始動時に
第２の燃焼ガス排気管 18aのバルブ20aを開にし、第３
の燃焼ガス排気管 18bのバルブ 20bを閉にして、改質器
13のバーナ 13aによる燃焼ガスを第１、第２の燃焼ガス
排気管18,18aを介して冷却材余熱器37に流し、冷却材余
熱器37から冷却板 12dに供給される冷却材である液体
（たとえば水）を加熱して、燃料電池本体12を短時間
（たとえば20〜30分程度）で所定温度（たとえば80℃）
まで上昇させる。冷却材余熱器37に流入した燃焼ガス
は、配管39を介して燃焼ガス排気口19から排気され、燃
料電池本体12が所定温度に達すると発電が開始される。
また、前記冷却板 12dから排出される液体は、配管 36
b，放熱器38，配管 36cを介して再び冷却材余熱器37に
戻る。他の動作は、図１に示した実施例１の場合と同様
である。
【００３２】この実施例においても、燃料電池本体12の
作動時に改質器13のバーナ 13aによる燃焼ガスを冷却材
余熱器37に流し、冷却板 12dに供給される液体を加熱し
て燃料電池本体12を短時間で所定温度まで上昇させるこ
とによって、燃料電池本体12の始動時間の短縮を図るこ
とができる。
【００３３】実施例３ 図３は、本発明の第３実施例に係る電気車両用燃料電池
発電システムの要部を示す概略構成図である。
【００３４】本実施例では、燃料電極 12b，電解質板 1
2a，酸素電極 12cおよび冷却板 12dを単位セルとしてこ
の単位セルをほぼ水平に複数積層したセル積層体から成
る燃料電池本体12の上端と下端にそれぞれ加熱板 40a,4
0bを設置し、この加熱板 40a,40bに改質器13からの燃焼
ガスを流す第１、第２、第４の燃焼ガス排気管18，18b,
18c を接続した構成であり、加熱板 40a,40bに供給され
た燃焼ガスは配管41a,41b を介して燃焼ガス排気口42に
排気される構成とした外は、基本的に前記図１に示した
実施例の場合と同様である。
【００３５】この実施例の場合においては、燃料電池本
体12の始動時に改質器13のバーナ13aによる燃焼ガスを
第１、第２の燃焼ガス排気管18,18aを介して加熱板 40
a,40bに流して、前記同様、燃料電池本体12全体を短時
間で所定温度まで上昇させることによって、燃料電池本
体12の始動時間の短縮を図ることができる。
【００３６】実施例４ 図４は、本発明の第４実施例に係る電気車両用燃料電池
発電システムの要部を示す概略構成図である。
【００３７】本実施例では、上記した燃料電池本体12を
収納した容器43に改質器13からの燃焼ガスを流す第１、
第２の燃焼ガス排気管18,18aを接続した構成を採った他
は、基本的には前記図１に示した実施例の場合と同様の
構造であり、前記容器43内に供給された燃焼ガスは配管
44を介して燃焼ガス排気口42に排気される。
【００３８】この実施例の場合においては、燃料電池本
体12の始動時に改質器13からの燃焼ガスを、第１、第２
の燃焼ガス排気管18,18aを介して燃料電池本体12が収納
される容器43内に流して、上記実施例の場合と同様に、
燃料電池本体12全体を短時間で所定温度まで上昇させる
ことによって、燃料電池本体12の始動時間の短縮を図る
ことができる。
【００３９】前記した実施例１〜４では、燃料電池本体
12の始動時間の短縮を図ることができ、併用して使用す
る鉛蓄電池などの二次電池14からの電力供給時間を短縮
し得るので、二次電池14の車両への搭載数を減らすこと
ができる。また、前記した実施例１〜４の構成を２つ以
上組み合わせ併用した構成を採ると、燃料電池本体12の
始動時間をさらに短縮することができる。
【００４０】実施例５ 図５は、本発明の第５実施例に係る電気車両用燃料電池
発電システムを示す概略構成図である。
【００４１】図５に示すように、この電気車両用燃料電
池発電システムは、水素と酸素を取込んで電気を発生す
る燃料電池本体12と、メタノールと水とを原料にして高
温雰囲気触媒下で水素を生成して燃料電池本体12に供給
する改質器13と、リチウム２次電池 45a,45bとを備えて
いる。ここで、燃料電池本体12は、燃料電極 12b、電解
質板 12a、酸素電極 12cを備えており、電解質板 12aの
電解質は、60〜 100℃程度の温度でイオン導電性の作用
を行う高分子膜（たとえばパーフルオロカーボンスルホ
ン酸）を装着した構成を成している。また、改質器13
は、燃料タンク 16aから供給される液体燃料（メタノー
ル）と、水タンク（図示省略）から供給される水とを取
込んで加熱して水素を生成し、この水素を燃料電池本体
12の燃料電極 12bに供給する一方、燃料電池本体12の酸
素電極 12bには、コンプレッサ46から空気（酸素）が供
給される。
【００４２】リチウム２次電池 45a,45bは、燃料電池本
体12を冷却する冷媒を収納した冷媒タンク47の両側に近
接してそれぞれ設置されており、このリチウム２次電池
45a,45bの電解質には、沸点が 100℃以上の非水溶媒で
あるエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートの
混合溶媒に、LiPF6 を含有する非水性電解液が用いられ
ているいる。また、このリチウム２次電池 45a,45bの電
極として、アノードにリチウムイオンを吸蔵，放出する
化合物である炭素材が使用され、カソードにLiCoO2 が
使用された構成を成しており、さらにリチウム２次電池
45a,45bは、複数個直列に接続して常温で例えば20KW程
度の出力が得られるようにしている。さらにまた、燃料
電池本体12とリチウム２次電池 45a,45bには、切換えス
イッチ48a,48bを介して駆動モータなどの負荷33が接続
されており、この負荷33は燃料電池本体12、リチウム２
次電池 45a,45b、あるいはその両方から供給される電力
によって駆動される。
【００４３】次に、上記した本実施例に係る電気車両用
燃料電池発電システムの動作について説明する。
【００４４】燃料電池本体12の燃料電極 12bに改質器13
で生成される水素を供給して、燃料電池本体12の酸素電
極 12cにコンプレッサ47から空気（酸素）を供給する。
そして、燃料電池本体12で発電が開始されるまでの始動
時の間は、リチウム２次電池45a,45bから負荷33に電力
を供給し、燃料電池本体12が所定の温度に上昇して発電
が開始されると切換えスイッチ 48a,48bをリチウム２次
電池45a,45b 側から燃料電池本体12側に切換えて、燃料
電池本体12で発電される電力を負荷33に供給する。
【００４５】前記燃料電池本体12の発電時は、冷媒タン
ク47からの冷媒によって燃料電池本体12が冷却され、ま
た、電解質板 12aに60〜 100℃程度の低温でイオン導電
性を呈する高分子膜（たとえばパーフルオロカーボンス
ルホン酸）の電解質を用いているので、燃料電池本体12
から放出される熱も60〜 100℃程度である。そして、本
実施例で使用されるリチウム２次電池 45a,45bは、沸点
が 100℃以上の非水溶媒（たとえばエチレンカーボネー
ト、プロピレンカーボネートの混合溶媒）を用いた構成
を採っているので、燃料電池本体12からの放熱温度領域
（60〜 100℃）においても、充放電特性などを常温より
も良好に維持することができる。たとえば、冷媒タンク
47内での冷媒の温度が80℃程度の時に、この冷媒の放熱
部（冷却フィンなど）では空冷により60℃程度の環境温
度となり、この熱によって冷媒タンク47の両側に設置さ
れている各リチウム２次電池 45a,45bの温度は50℃程度
になった。この条件でこのリチウム２次電池 45a,45bの
出力を測定したところ、23KW程度となり、常温時の20KW
に比べて 15%程度の出力像かが確認された。
【００４６】図６は、燃料電池１の始動時やピーク電力
時に、負荷33に電力を供給する本実施例のリチウム２次
電池 45a,45bの放電容量と充電回数の関係を調べた実験
結果を示したものである。図６において、本実施例で併
用したリチウム２次電池45a,45b の温度が60℃の場合
（曲線Ａ）、40℃の場合（曲線Ｂ）、80℃の場合（曲線
Ｃ）をそれぞれ比較してみると、リチウム２次電池 45
a,45bの温度が60℃程度のときに、充電回数が増加して
も放電容量の低下が小さく充放電特性が最もよかった。
なお、図６において、リチウム２次電池 45a,45bの放電
容量は、リチウム２次電池 45a,45bの温度が60℃で充電
回数が零のときを 1としている。
【００４７】また、リチウム２次電池 45a,45bの温度が
60℃前後より高い場合や低い場合には、リチウム２次電
池 45a,45bと冷媒タンク47や燃料電池本体12との距離を
調整して、リチウム２次電池 45a,45bの温度を60℃前後
にすることにより、充放電特性をより高めることができ
る。
【００４８】比較例 前記燃料電池発電システムの構成において、リチウム２
次電池 46a,46bの代わりに鉛蓄電池もしくはニッケル・
カドミウム電池を用いた他は、実施例５の場合と同一構
成の燃料電池発電システムを得、これらの燃料電池発電
システムにつき、実施例５の場合と同一に作動温度およ
び電池寿命の関係を評価したところ、図７に示すごとく
であった。すなわち、比較例の２次電池で最大の寿命を
得る動作温度は35℃，20℃で、燃料電池本体12近傍での
60℃前後の動作温度では寿命が大幅に低減することが確
認された。なお、前記寿命の低減は、鉛蓄電池の場合高
温での腐食による電極劣化が、またニッケル・カドミウ
ム電池では充電効率が低下するので、電池に負荷がかか
り過ぎることによると考えられる。
【００４９】実施例６ 図８は、本発明の第６実施例に係る電気車両用燃料電池
発電システムを示す概略構成図である。
【００５０】前記図５に図示した第５の実施例では、リ
チウム２次電池 46a,46bを冷媒タンク48の両側に設置し
て、リチウム２次電池 46a,46bを加熱する構成であった
が、本実施例の場合は、リチウム２次電池 46a,46bを燃
料電池本体12に水素を供給する改質器13の両側に近接し
てそれぞれ設置した構成であり、他の構成および動作は
前記図５に示した実施例５の場合と同様である。
【００５１】なお、本実施例のリチウム２次電池 46a,4
6bは、たとえばポリ［ビスー（メトキシエトキシエトキ
サイド）フォスファジン］およびポリエチレンオキサイ
ドの混合体と、リチウム塩（たとえば LiClO4 、 LiAsF
6 など）の複合体から成る固体電解質が用いられてい
る。また、このリチウム２次電池 46a,46bの電極として
は、アノードにリチウムイオンを吸蔵．放出する化合物
である単素材が使用され、カソードには TiS2 が使用さ
れている。そして、各リチウム２次電池 46a,46bは、複
数個直列に接続して常温でたとえば20KW程度の出力が得
られるようにしている。 この実施例の場合では、原料
であるメタノールや水を取込んでバーナ 13aなどで加熱
して水素を生成する改質器13は、水素生成時に熱を外部
に放出するので周囲の環境温度は 100℃程度になり、こ
の熱によって改質器13の両側に設置されている各リチウ
ム２次電池 46a,46bの温度は60℃程度になった。この条
件で、このリチウム２次電池 46a,46bの出力を測定した
ところ24KW程度となり、常温時の20KWに比べて 20%程度
の出力増加が確認された。
【００５２】本実施例においても、前記の実施例の場合
と同様に、リチウム２次電池 46a,46bを改質器13で加熱
することによって、常温よりも充放電特性を良好に保持
することができるし、これらのことは、前記リチウム２
次電池 46a,46bのカソードには、 TiS2 以外にも LiNiO
2 、 LiMnO2 などを用いても、あるいはアノードに、リ
チウム金属、リチウム合金またはリチウムを含む化合物
を用いた場合も同様であった。
【００５３】なお、前記実施例５および６においては、
リチウム２次電池 46a,46bを冷媒タンク48や改質器13の
両側に近接して設置したが、燃料電池本体12の周囲に近
接して設置してもよい。（以下余白） 実施例７ 図９および図10は、本発明の第７実施例に係る電気車両
用燃料電池発電システムを示す平面図および側面図であ
る。
【００５４】両図に示すように、本実施例では、分厚い
帯板状のNiなどの電気良導体金属板で形成されたブスバ
ー 49a,49bで連結された燃料電池本体12およびコンバー
タ31が、平板状の架台50上にボルトなどによって固着さ
れている。架台50は、防振ゴムなどの振動緩衝材51を介
して自動車のフレーム52に取付けられている。
【００５５】燃料電池本体12は、図示されていない燃料
電極、電解質板、酸素電極を単位セルとしてこの単位セ
ルを複数積層したセル積層体から成り、燃料電極（図示
省略）には水素が供給される改質器（図示省略）が接続
され、酸素電極（図示省略）には空気（酸素）が供給さ
れたコンプレッサ（図示省略）が接続されている。
【００５６】ブスバー 49a,49bは、図11に示すように電
気絶縁材54を介して固定具55により架台51上にボルトな
どによって固着されている。
【００５７】また、コンバータ31には、切換えスイッチ
（図示省略）を介して鉛蓄電池などの２次電池（図示省
略）が接続されており、燃料電池本体12の始動時やピー
ク電力時には、この２次電池（図示省略）から駆動モー
タなどの負荷（図示省略）に電力を供給し、燃料電池本
体12の始動時の後は、切換えスイッチ（図示省略）を燃
料電池本体12側に切換えて、燃料電池本体12で発電され
る電力を負荷（図示省略）に供給する。なお、前記図示
しなかった改質器、コンプレッサ、切換えスイッチ、２
次電池などは架台51の外に設置されている。
【００５８】そして、本実施例の場合では、自動車の走
行時に振動などが生じても、ブスバー 49a,49bを介して
連結されている燃料電池本体12およびコンバータ31が同
一の架台51に設置され、かつこの架台50は振動緩衝材51
を介して自動車のフレーム52に取付けられているので、
燃料電池本体12およびコンバータ31の相対変位を同位相
として抑制することができる。よって、自動車の振動な
どによるブスバー 49a,49bの燃料電池本体12およびコン
バータ31の連結部の緩みが防止されることにより、燃料
電池本体12で発生した電力はロスすることなく、ブスバ
ー 49a,49bを介してコンバータ31に供給され、コンバー
タ31に接続されている駆動モータなどの負荷（図示省
略）を信頼性よく駆動することができる。
【００５９】実施例８ 図12は、本発明の第８実施例に係る電気車両用燃料電池
発電システムを示す平面図である。
【００６０】本実施例では、架台50上に複数（図では２
基）の燃料電池本体12を設置し、この２基の燃料電池本
体12をブスバー 49a,49b,49cにより接続してコンバータ
31に連結した構成であり、他の構成は前記図９に示した
実施例７の場合と同様である。このように、複数の燃料
電池本体12を装着配置した場合においても、これらの燃
料電池本体12を、ブスバー 49a,49b,49cを介して連結し
たコンバータ31とともに、同一の架台50上に設置するこ
とにより、前記実施例７の場合と同様に、自動車の振動
などによるブスバー 49a,49b,49cの燃料電池本体12とコ
ンバータ31との連結部の緩みを容易に防止することがで
きる。
【００６１】また、前記実施例７、および実施例８で
は、平板状の架台50を使用したが、これ以外にも、たと
えば図13に示すようなＬ形材やＨ形材で構成された骨組
み構造の架台50や、図14に示すような２段構成の立体的
構造から成る架台50を使用することもできる。さらに、
前記では、架台50上にブスバー 49a,49b,49cを介して連
結した燃料電池本体12およびコンバータ31だけを設置し
たが、架台50上に余分なスペースがあれば、改質器、コ
ンプレッサ、切換えスイッチ、２次電池などを設置して
も差支えない。
【００６２】実施例９ 図15および図16は、本発明の第９実施例に係る電気車両
用燃料電池発電システムの燃料電池の構成を示す平面図
と側面図である。
【００６３】本実施例では、架台50上に設置される燃料
電池本体12の各側面を、それぞれ電気絶縁材53を介して
固定具54により固定した構成であり、他の構成および動
作は図９に示した実施例７の場合と同様である。固定具
54の下部は、自動車のフレーム52上に振動緩衝材51を介
して配設した架台50上に固着されている。
【００６４】この実施例では、燃料電池本体12の側面
を、電気絶縁材53を介して固定具54で固定したことによ
り、自動車の振動などによって燃料電池本体12を構成す
るセル積層体がずれることを防止することができる。
【００６５】図17は、本実施例の変形例を示す側面図で
あり、この変形例においては、筐体状に形成した固定具
54内に、電気絶縁材53を介して燃料電池本体12を収納し
て固定した構成であり、前記固定具54は、自動車のフレ
ーム52上に振動緩衝材51を介して配設した架台50上に固
着されている。そして、この変形例においても、筐体状
に形成した固定具54により、自動車の振動などによって
燃料電池本体12を構成するセル積層体がずれることを防
止することができる。
【００６６】なお、上記では、特に電気車両用に適用し
た場合について説明したが、本発明はこれに限定される
ことなく、軽量、コンパクトな発電システムとして移動
電源など種々の分野で利用可能である。
【００６７】
【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、第１の本発明によれば、改質器で水素生成時
に使用する燃焼ガスによって燃料電池本体を所定の温度
に達するまで加熱することにより、燃料電池本体の始動
時の時間（発電開始までの時間）を大幅に短縮すること
ができるので、燃料電池本体の発電効率の向上を図るこ
とができる。また、前記燃料電池本体の発電効率向上に
より、併用して用いられる２次電池からの電力供給を低
減することが可能となるので、２次電池の数を減らすこ
とができ、コンパクトで軽量な燃料電池発電システムを
提供することができる。
【００６８】第２の発明によれば、燃料電池本体の始動
時やピーク電力時に電力を供給する２次電池の充放電特
性などを、燃料電池本体の放熱温度領域においても良好
に維持することができる。また、燃料電池本体の放熱温
度領域においても、２次電池の充放電特性などを良好に
維持することが可能なため、２次電池を燃料電池本体近
傍に設置することもでき、コンパクトな燃料電池発電シ
ステムを提供することができる。
【００６９】第３および第４の発明によれば、少なくと
も分厚い帯板状の電気良導体金属板から成るブスバーで
連結された燃料電池本体およびコンバータとを振動緩衝
材を介して共通（同一）の架台上に設置したことによっ
て、車両の振動などによる燃料電池本体およびコンバー
タの相対変位を同位相として抑制することができる。し
たがって、ブスバーの燃料電池本体およびコンバータと
の連結部の緩みが防止されることにより、信頼性の高い
燃料電池発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池発電システム
を示す概略構成図。
【図２】本発明の実施例２に係る燃料電池発電システム
を示す概略構成図。
【図３】本発明の実施例３に係る燃料電池発電システム
の要部を示す概略構成図。
【図４】本発明の実施例４に係る燃料電池発電システム
の要部を示す概略構成図。
【図５】本発明の実施例５に係る燃料電池発電システム
を示す概略構成図。
【図６】本発明の実施例５に用られるリチウム二次電池
の放電容量と充電回数の関係を示す特性図。
【図７】本発明の実施例５の構成において二次電池を換
えた場合の電池寿命と動作温度との関係例を比較して示
す曲線図。
【図８】本発明の実施例６に係る燃料電池発電システム
を示す概略構成図。
【図９】本発明の実施例７に係る燃料電池発電システム
を示す平面図。
【図１０】本発明の実施例７に係る燃料電池発電システ
ムを示す側面図。
【図１１】ブスバーの取付け構造を示す斜視図。
【図１２】本発明の実施例８に係る燃料電池発電システ
ムを示す平面図。
【図１３】本発明の実施例７および実施例８に用いられ
る架台の一例を示す斜視図。
【図１４】本発明の実施例８に用いられる架台の一例を
示す斜視図。
【図１５】本発明の実施例９に係る燃料電池発電システ
ムに用いられる燃料電池の固定構造を示す平面図。
【図１６】本発明の実施例９に係る燃料電池発電システ
ムに用いられる燃料電池の固定構造を示す側面図。
【図１７】実施例９の変形例を示す側面図。
【図１８】従来の電気車両用燃料電池発電システムを示
す概略構成図。
【図１９】ブスバーを示す斜視図。
【符号の説明】
１，12…燃料電池 1a,12a…電解質板（層） 1b,1
2b…燃料電極 1c,12c…酸素電極 1d,12d…冷却板 ２，13…改質
器 2a,13a…バーナー 3a,16a…燃料タンク 3
b,16b…水タンク ４，27…冷却剤取り入れ口 ５，24…冷却剤予熱器 ６，15…蒸発器 ７，23…
空気取り入れ口 ８，25…水回収器 ９，28…空気排気口 10, 35…
冷却剤排出口 11， 50a， 50b， 50c…ブスバー
14…２次電池 17a， 17b， 17c，22， 26a，26b，
26c， 26d，29，30，34，39， 41a， 41b， 41c，44…
配管 18， 18a， 18b， 18c…燃焼ガス排気管 1
9，42…燃焼ガス排気口 20a， 20b，40…バルブ
21…水素排出口 31…コンバータ 32a， 32b，
48a， 48b…切り替えスイッチ 33…負荷 37…冷
却剤加熱器 38…放熱器 40a，40b…加熱板 4
3…容器 45a， 45b…２次リチウム電池 46…コ
ンプレッサー 47…冷媒タンク 50…架台 51…
振動緩衝剤 52…自動車のフレーム 53…電気絶縁
材 54…固定具

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体燃料および水を主成分とする原料を
    燃焼ガスで加熱・分解し、水素ガスを生成する改質器
    と、 電解質層の一主面に配設された燃料電極、他主面に配設
    された酸素電極を備え、かつ前記改質器で生成された水
    素ガスを燃料電極に取り込み発電し、所定の負荷に定常
    的な電力を供給する燃料電池と、 前記負荷に少なくとも負荷始動時もしくは負荷変動時に
    所要の電力を供給する２次電池と、 前記燃料電池および２次電池からの電力供給を切替え可
    能な電力供給切替え手段とを具備して成る燃料電池発電
    システムにおいて、 前記改質器で原料の加熱・分解に用いた燃焼ガスを燃料
    電池側に導き、燃料電池を始動可能な温度に加熱する燃
    料電池加熱手段を具備させたことを特徴とする燃料電池
    発電システム。
  2. 【請求項２】 電解質層の一主面に配設された燃料電
    極、他主面に配設された酸素電極を備え、所定の負荷に
    定常的な電力を供給する燃料電池と、 前記負荷に少なくとも負荷始動時もしくは負荷変動時に
    所要の電力を供給する２次電池と、 前記燃料電池および２次電池からの電力供給を切替え可
    能な電力供給切替え手段とを具備して成る燃料電池発電
    システムにおいて、 前記燃料電池電解質層がイオン導電性を有する高分子膜
    系で形成され、かつ２次電池が非水系もしくは固体電解
    質系のリチウム２次電池であることを特徴とする燃料電
    池発電システム。
  3. 【請求項３】 電解質層の一主面に配設された燃料電
    極、他主面に配設された酸素電極を備えて成る燃料電池
    と、 前記燃料電池での発電を電気良導体から成るブスバーで
    連結されたコンバーターを介して所定の負荷に電力を供
    給する燃料電池と、 少なくとも前記ブスバーで連結されたコンバーターおよ
    び燃料電池を設置する共通架台と、 前記共通架台およびこの共通架台を取付ける取付けベー
    スとの間に介在させた緩衝材とを具備して成ることを特
    徴とする燃料電池発電システム。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の燃料電池発電システムに
    おいて、燃料電池が絶縁体層を介し、固定手段により共
    通架台に固定・装着されていることを特徴とする燃料電
    池発電システム。
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