JP2001351652A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 極低温環境下であってもセルスタック体の凍
結を防止でき、システム全体の耐久性を確保できる燃料
電池システムを提供する。 【解決手段】 複数のセルを積層締結してなり水素ガス
及び反応用空気が供給されるセルスタック体７を備えた
燃料電池システム１において、少なくとも上記セルスタ
ック体７をケーシング１０内に収容し、該ケーシング１
０の壁内又は該ケーシング１０内にヒータを配設し、上
記セルスタック体温度又はケージング内温度が生成水の
凍結温度以下に低下したとき上記ヒータを発熱させるよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電動車両に
おいて駆動モータの電源となるとともに、二次電池の充
電源となる燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムとして、従来、複数の
セルを積層締結してなるセルスタック体に、水素ガス及
び反応用空気を供給し、内部での化学反応により電力を
発生するようにしたものがある。このような燃料電池シ
ステムを自動二輪車等の車両に搭載し、該燃料電池シス
テムにより発生した電力を駆動モータに供給し、該駆動
モータで車両を走行させるようにしたものが開発されつ
つある。

【０００３】

【発明が解決すようとする課題】上述のような燃料電池
システムを搭載した車両の場合、非走行時のように燃料
電池システムを停止している間に、外気温度が氷点下以
下というような低温になると、上記セルスタック体内の
発電により生成した水が凍結して該セルスタック体内部
に損傷を与え、そのためセルスタック体ひいては燃料電
池システムの耐久性が低下する恐れがあり、極端な場合
はそのまま破損して使用不能となることが考えられる。

【０００４】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであり、極低温環境下であってもセルスタック
体の凍結を防止でき、システム全体の耐久性を確保でき
る燃料電池システムを提供することを課題としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、複数
のセルを積層締結してなり水素ガス及び反応用空気が供
給されるセルスタック体を備えた燃料電池システムにお
いて、少なくとも上記セルスタック体をケーシング内に
収容し、該ケーシングの壁内又は該ケーシング内にヒー
タを配設し、上記セルスタック体温度又はケージング内
温度が所定の生成水の凍結温度以下に低下したとき上記
ヒータを発熱させるようにしたことを特徴としている。

【０００６】請求項２の発明は、請求項１において、上
記ヒータは、空気を供給すると酸化反応により発熱し、
水素を供給すると還元反応により再生する酸化／還元剤
からなる再生式発熱部材であり、上記ケーシングの壁内
に充填されていることを特徴としている。

【０００７】請求項３の発明は、請求項１において、上
記ヒータは、通電により発熱する電熱式のものであり、
上記ケーシング内に配設されていることを特徴としてい
る。

【０００８】

【発明の作用効果】請求項１の発明によれば、セルスタ
ック体をケーシング内に収容し、該セルスタック体温度
又はケージング内温度が凍結温度以下に低下したときヒ
ータを発熱させてケーシング内を暖めるようにしたの
で、セルスタック体内の発電により生成した水が凍結し
て該セルスタック体内部に損傷を与えてセルスタック体
ひいては燃料電池システムの耐久性が低下するといった
問題を回避できる。

【０００９】またセルスタック体等をケーシングで囲む
とともに、セルスタック体温度等が凍結温度以下に低下
したときにのみヒータを発熱させるようにしたので、必
要な熱量が少なくて済む。

【００１０】また請求項２の発明によれば、上記ヒータ
を、再生式発熱部材、例えば空気を供給すると酸化反応
により発熱し、水素を供給すると還元反応により再生す
る酸化／還元剤で構成したので、発熱部材を交換するこ
となく繰り返し使用でき、また燃料電池使用中に還元作
用を行うことにより特別な還元時間を必要とすることが
ない。

【００１１】請求項３の発明によれば、電熱式のヒータ
を設けたので、セルスタック体の凍結を容易確実に防止
でき、また該凍結防止構造が簡単である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図１〜図３は本発明の第１実
施形態を説明するための図であり、図１は本実施形態の
燃料電池駆動システムを搭載した自動二輪車の側面図、
図２は燃料電池システムの模式図、図３はセルスタック
体を収容するケーシングの断面側面図である。

【００１３】図２において、本実施形態の燃料電池駆動
システムは、燃料電池システム（ＦＣ）１と、駆動装置
２とで構成されており、燃料電池システム１で発生した
電力を駆動装置２の駆動モータ３に供給することにより
図１に示す自動二輪車２０を走行させるとともに、上記
電力によりバッテリ（二次電池）２８を充電するように
なっている。そして運転者のスロットル操作による要求
出力に対し、上記燃料電池システム１の発電能力が不足
する場合には、この不足分がバッテリ２８からの電力に
より補われる。

【００１４】上記駆動装置２は、上記燃料電池システム
１から供給された電力を、車両用メインコントローラ２
ａにより、上記自動二輪車２０のスロットルグリップか
らの入力指令に応じてＤＣ／ＤＣ変換器（電力調整部）
２ｂを介してモータ３に供給し、該自動二輪車２０を走
行させるとともに、上記電力によりバッテリ（二次電
池）２８を充電するように構成されている。なお、２ｃ
はヒューズ、ＴB はバッテリ温度を検出する温度センサ
である。

【００１５】上記燃料電池システム１は、水素を水素供
給系６によりセルスタック体７に供給するとともに、水
を水供給系８により上記セルスタック体７内に循環供給
し、さらに冷却用の空気を空気供給系９により上記セル
スタック体７内に供給することにより電気を発生するよ
うになっている。上記セルスタック体７は、カーボン製
で間に高分子膜（例えばイオン交換樹脂膜）を挟んでな
る多数のセルを、間に冷却空気通路を設けて積層したも
のである。なお１ａは該燃料電池システム１の各種制御
を行うＦＣコントローラである。

【００１６】上記水素供給系６は、水素ボンベ１７内の
水素を閉止バルブ１８，流量調整バルブ１９，バッファ
タンク４０を介して上記セルスタック体７に供給し、こ
こを通過した水素を触媒燃焼器４１で燃焼させ、外部に
排出するようになっている。なお、４２ａは開閉バル
ブ、Ｔａはケーシング１０内の温度を検出する温度セン
サ、Ｔｃはセルスタック体７内の温度を検出する温度セ
ンサ、Ａｏはセルスタック体７から供給される電流値を
検出する電流センサ、Ｖはセルスタック体７の両端電圧
を検出する電圧センサ、５は逆流防止用ダイオードであ
る。

【００１７】上記水供給系８は、水タンク４３内の水を
冷却加湿用の水ポンプ４４により上記セルスタック体７
に供給し、ここを通過した水を水分回収用の熱交換器４
５を介して水タンク４３内に戻すように構成されてい
る。

【００１８】上記空気供給系９は、後述の通風路２５ｂ
に導入された外気をバッテリ２８の周囲に導入するとと
もに、上記通風路２５ｂ内に配置された冷却ファン３１
からの外気を切替え弁３８を介して水分回収用熱交換器
４５に供給し、ここで水分が除去されてドライエアとな
った空気をブロア４６により上記セルスタック体７内に
供給するようになっている。なお上記外気から分離され
た水分は上記水タンク４３内に回収される。

【００１９】図１に示す自動二輪車２０に上記燃料電池
システム１及び駆動装置２が搭載されており、該自動二
輪車２０は以下の概略構造を有する。車体フレーム２１
は、前端のヘッドパイプ２１ａから後方斜め下方に延び
るメインパイプ２１ｂの下端に左，右一対のサイドパイ
プ２１ｃ，２１ｃを接続し、該サイドパイプ２１ｃ，２
１ｃを略水平に後方に延長して低床の足載部２１ｄを形
成し、これをさらに後方斜め上方に延長したタイプのも
のである。

【００２０】上記ヘッドパイプ２１ａにより前フォーク
２２が左右操向自在に枢支され、該前フォーク２２の下
端で前輪２３が軸支され、上端に操向ハンドル２４が固
定されている。また上記サイドパイプ２１ｃの上方には
シート３０が搭載されており、上記前フォーク２２の周
囲，車体フレーム２１の左右側部は樹脂製の車体カバー
２５で囲まれている。

【００２１】また上記サイドパイプ２１ｃの後方斜め上
方延長部によりユニットスイング式のモータユニット２
６の前端部が枢支されており、該モータユニット２６の
後端部で後輪２７が軸支されている。該モータユニット
２６は、その軸芯を車幅方向に向けて配置されたモータ
３と車両左側部にて後方に延びる伝動ケース２９とを一
体的に結合したものである。

【００２２】また上記車体フレーム２１の左右の足載部
２１ｄ，２１ｄ間に架設された支持フレーム２１ｅ，２
１ｅ上に、上記燃料電池システム１のセルスタック体７
及び上記駆動装置２のバッテリ２８等が収容されたケー
シング１０が搭載されている。なお、図３では収容物の
図示を省略している。また該ケーシング１０の上側に上
記水タンク４３が、また車体後部に上記水素ボンベ１７
が搭載されている。なお１８は開閉弁、１９は圧力調整
弁である。

【００２３】そして上記車体カバー２５内には上記ケー
シング１０に向けて走行風を導入する導風路２５ｂが形
成されており、該導風路２５ｂの導風口２５ａは車両前
方に向けて開口している。上記導風路２５ｂの上記ケー
シング１０入口部に上記冷却ファン３１が配置されてい
る。１００は余剰空気排出用小孔である。なお、ケーシ
ング１０を出た冷却風は上記水素ボンベ１７が配置され
た導出路２５ｃ内を通って導出口２５ｄから外部に排出
される。

【００２４】上記ケーング１０は、上部に開口１１ａを
有する収納部１１と、該収納部１１にヒンジ１２ａによ
り上記開口１１ａを開閉可能に装着された蓋体１２とで
構成されている。なお、１２ｃは蓋体１２を閉状態に固
定するロックである。

【００２５】上記収納部１１，及び蓋体１２はステンレ
ス鋼板等で製作された二重壁構造の収納枠体１１ａ，蓋
枠体１２ａ内に酸化／還元剤として機能する鉄粉１１
ｂ，１２ｂを充填したものであり、また上記収納枠体１
１ａの二重壁内に上記切替え弁３８が埋設されている。

【００２６】上記切替え弁３８は、上述のセルスタック
体７に連通するメイン口３８ａ、上記ケーシンク１０内
に換気用空気を供給する換気口３８ｂ、ケーシング１０
のパネル内に内部の酸化／還元材の酸化用空気を供給す
る発熱口３８ｃを有し、冷却ファン３１からの外気を該
各口に適宜切替えて供給するようになっている。なお、
３９ａは上記熱交換器４５と水タンク４３との間から排
気する排気管、３９ｂは上記換気口３８ｂからケーシン
グ１０内供給された換気用空気を排気する排気管、３９
ｃは上記収納枠体１１ａ内と蓋枠体１２ａ内とを連通す
る連通孔である。

【００２７】また３９ｄは、上記二重壁内に充填された
鉄粉１１ｂ，１２ｂに還元用の水素を供給するための水
素供給口である。この水素供給口３９ｄには、電磁開閉
弁３９ｅを備えた水素供給管３９ｆによって上記バッフ
ァタンク４０を介して水素ボンベ１７が接続されてい
る。

【００２８】また、上記収納枠体１１ａの壁内には温度
センサ５０ａ，水素濃度センサ５０ｂが配設されてい
る。さらにまた上記収納枠体１１ａの底壁には、排水バ
ルブ５１ａを有する水溜５１が設けられている。なお、
上記排水バルブ５１ａは酸化用空気を二重壁内に供給す
る際には該空気の供給を容易にするために開かれる。

【００２９】次に本実施形態の動作及び作用効果につい
て説明する。本実施形態自動二輪車２０で走行開始する
と、まずバッテリ２８の電力によって駆動モータ３が後
輪を駆動開始する。そして一定の条件が整ったところで
燃料電池システム１が起動する。この場合、反応水がセ
ルスタック体７の水通路に供給され、また水素ボンベ１
７内の水素ガスがセルスタック体７の水素ガス通路に供
給される。このようにセルスタック体７に反応用水及び
水素ガスが供給され、内部における化学反応により電気
が発生し、該電気が上記駆動モータ３に供給されるとと
もに、上記バッテリ２８が充電される。

【００３０】また走行風の一部はケーシング１０内を通
って空気排出口２５ｄから排出される。そしてセルスタ
ック体７の温度は常時上記ＦＣコントローラ１ａに読み
込まれており、該セルスタック体温度が所定値以上にな
ると、該コントローラ１ａが冷却ファン３１を起動し、
走行風がセルスタック体７の冷却通路内にも供給され、
該セルスタック体７は上記化学反応に適した温度範囲に
保持される。

【００３１】そして本実施形態では、夜間等の非走行時
に外気温度が低下する等により、温度センサＴｃで検出
されたセルスタック体７の温度、あるいは温度センサ５
０ａで検出されたケーシング１０の壁内温度が、予め設
定された凍結温度、例えば零度より低下すると、上記上
記コントローラ１ａが、上記切替えバルブ３８を、上記
換気口３８ｂ，メイン口３８ａを閉じ、かつ発熱口３８
ｃを開く位置に切り替えるとともに、排気バルブ５１ａ
を開く。またこのとき冷却ファン３１を起動させる。

【００３２】これにより外気がケーシング１０の壁内に
供給され、内部の鉄粉１１ｂ，１２ｂが酸化して発熱
し、該発熱によりケーシング１０内が暖められる。そし
て上記セルスタック体温度又は壁内温度が上記凍結温度
より所定値以上に上昇すると上記コントローラ１ａが上
記切替えバルブ３８の発熱口３８ｃを閉じて酸化用空気
の供給を停止させる。これにより上記鉄粉１１ｂ，１２
ｂの発熱は停止する。

【００３３】なお、上記壁内への酸化用空気の供給停止
については、供給開始から所定時間経過したときに自動
的に停止するようにしてもよい。

【００３４】そして上述の酸化用空気の供給回数が所定
値に達するか、又は酸化用空気の供給にも関わらず壁内
温度が上昇し難くなった場合に、鉄粉１１ｂ，１２ｂの
還元が行われる。これは、上述の条件成立よりコントロ
ーラ１ａが電磁開閉弁３９ｅを開き、これにより水素ガ
スが壁内の鉄粉１１ｂ，１２ｂに供給される。

【００３５】その結果、上記酸化した鉄粉１１ｂ，１２
ｂが還元されて発熱前の状態に再生され、再び発熱可能
となる。このとき水素濃度センサ５０ｂの検出水素濃度
が所定値に達すると上記還元行程が終了したとして水素
ガスの供給は停止される。なお、該還元作用により発生
した水は上記水溜め５１に溜まり、排水弁５１ａを介し
て排水される。

【００３６】このように本実施形態では、セルスタック
体内温度が凍結温度まで低下した場合にはケーシング１
０内を昇温させるようにしたので、セルスタック体７内
の反応用水が凍結して該セルスタック体７の内部に損傷
を与えてセルスタック体７ひいては燃料電池システムの
耐久性が低下するといった問題を回避できる。

【００３７】またケーシング１０の二重壁内に酸化／還
元剤を充填しておき、空気の供給により酸化して発熱
し、該酸化を水素ガスの供給により還元して酸化前の状
態に戻すといった発熱，再生を繰り返すように構成した
ので、ケーシング内の保温構造が極めて簡単であり、コ
スト上昇を回避できる。

【００３８】ここで上記実施形態では燃料電池システム
全体を保温するようにしたが、図４に示すように、セル
スタック体７のみをケーシングで囲むようにしても良
い。なお、図４中、図２と同一符号は同一又は相当部分
を示す。

【００３９】図４において、ケーシング１０′は、セル
スタック体７の周囲のみを囲むように構成されており、
該ケーシング１０′内に鉄粉１１ｂが充填されている。
そしてこの鉄粉１１ｂに開閉弁３９ｅ，水素供給管３９
ｆを介して水素が供給可能になっている。

【００４０】本実施形態においても、ケーシング内又は
セルスタック体内が所定の凍結温度以下に低下すると上
記鉄粉１１ｂに空気が供給され、該鉄粉１１ｂが発熱し
てセルスタック体７を昇温させる。そして空気を供給し
ても発熱しにくくなった等の所定条件が満たされると、
鉄粉１１ｂに水素を供給して該鉄粉１１ｂを還元させ
る。

【００４１】このようにセルスタック体のみを昇温させ
るようにした場合にも上記実施形態と同様にセルスタッ
ク体７の凍結を防止して該セルスタック体ひいては燃料
電池システムの耐久性の低下を回避できる。

【００４２】上記各実施形態では、ケーシング１０内を
昇温させるための構造として、ケーシング１０の壁内に
鉄粉（酸化／還元材）を充填した場合を説明したが、本
発明の昇温構造は、図５に示すように、酸化／還元材に
限定されない。なお、図５中、図３と同一符号は同一又
は相当部分を示す。

【００４３】図５において、ケーシング１０の収納部１
１及び蓋体１２の壁内に断熱材１１ｂ′，１２ｂ′が充
填されており、また底面上に電熱式のヒータ５２が配設
されている。なお、５２ａはオンオフスイッチである。

【００４４】本実施形態では、セルスタック体内温度又
はケーシング内温度が所定の凍結温度以下に低下する
と、上記コントローラが上記オンオフスイッチ５２ａを
オンオフ制御してヒータ５２を発熱させ、もってケーシ
ング内を昇温させる。これにより上述の例と同様に、セ
ルスタック体７の凍結による損傷，耐久性低下の問題を
防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池システム
を搭載した自動二輪車の側面図である。

【図２】上記燃料電池システムのブロック構成図であ
る。

【図３】上記燃料電池システムを収容するケーシングの
断面側面図である。

【図４】上記第１実施形態の変形例のブロック構成図で
ある。

【図５】本発明の第２実施形態によるケーシングの断面
側面図である。

【符号の説明】

１ 燃料電池システム ７ セルスタック体 １０ ケーシング １１ｂ，１２ｂ 鉄粉（再生式発熱部材−酸化／還元
材） ５２ 電熱式ヒータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のセルを積層締結してなり水素ガス
   及び反応用空気が供給されるセルスタック体を備えた燃
   料電池システムにおいて、少なくとも上記セルスタック
   体をケーシング内に収容し、該ケーシングの壁内又は該
   ケーシング内にヒータを配設し、上記セルスタック体温
   度又はケージング内温度が所定の生成水の凍結温度以下
   に低下したとき上記ヒータを発熱させるようにしたこと
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 請求項１において、上記ヒータは、空気
   を供給すると酸化反応により発熱し、水素を供給すると
   還元反応により再生する酸化／還元剤からなる再生式発
   熱部材であり、上記ケーシングの壁内に充填されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 【請求項３】 請求項１において、上記ヒータは、通電
   により発熱する電熱式のものであり、上記ケーシング内
   に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。