JP2003217641A - 燃料電池システム - Google Patents
燃料電池システムInfo
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- JP2003217641A JP2003217641A JP2002012923A JP2002012923A JP2003217641A JP 2003217641 A JP2003217641 A JP 2003217641A JP 2002012923 A JP2002012923 A JP 2002012923A JP 2002012923 A JP2002012923 A JP 2002012923A JP 2003217641 A JP2003217641 A JP 2003217641A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 燃料電池システム内において発生する廃エネ
ルギーを利用することを目的とするものである。 【解決手段】 高圧タンク１から燃料電池２に水素を供
給する経路１０の途中に水素を減圧膨張させる膨張機３
を配置する。そして、該膨張機３にて膨張する水素の膨
張エネルギーを機械エネルギーに変換し、この機械エネ
ルギーを利用して送風機２０を回転駆動させる。この送
風機２０は燃料電池２の経路１２から排出される未反応
空気中に含まれる蒸気を凝縮させる凝縮回収器２１に送
風する機能を有する。
ルギーを利用することを目的とするものである。 【解決手段】 高圧タンク１から燃料電池２に水素を供
給する経路１０の途中に水素を減圧膨張させる膨張機３
を配置する。そして、該膨張機３にて膨張する水素の膨
張エネルギーを機械エネルギーに変換し、この機械エネ
ルギーを利用して送風機２０を回転駆動させる。この送
風機２０は燃料電池２の経路１２から排出される未反応
空気中に含まれる蒸気を凝縮させる凝縮回収器２１に送
風する機能を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池システムに
関するものである。
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】純水素燃料方式の燃料電池自動車におい
ては、水素の貯蔵方式として、高圧水素タンク方式、水
素貯蔵金属（ＭＨ）方式、液化水素タンク方式、カーボ
ン系の水素吸着材料方式等が知られている。その中で近
年最も実用化が近いと考えられているのが、高圧水素タ
ンク方式であり、水素は高圧（２０〜１００ＭＰａ）の
状態で貯蔵することになる。一方、ＦＣスタックへの水
素の供給圧は、水素貯蔵タンクよりもかなり低圧（０．
１〜０．５ＭＰａ程度）であるため、レギュレータ等で
減圧して供給していた。
ては、水素の貯蔵方式として、高圧水素タンク方式、水
素貯蔵金属（ＭＨ）方式、液化水素タンク方式、カーボ
ン系の水素吸着材料方式等が知られている。その中で近
年最も実用化が近いと考えられているのが、高圧水素タ
ンク方式であり、水素は高圧（２０〜１００ＭＰａ）の
状態で貯蔵することになる。一方、ＦＣスタックへの水
素の供給圧は、水素貯蔵タンクよりもかなり低圧（０．
１〜０．５ＭＰａ程度）であるため、レギュレータ等で
減圧して供給していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来技術では、高圧水
素をレギュレータや絞りで減圧しており、等エンタルピ
膨張であり、水素の膨張エネルギーを回収できていなか
った。
素をレギュレータや絞りで減圧しており、等エンタルピ
膨張であり、水素の膨張エネルギーを回収できていなか
った。
【０００４】また、特に燃料電池システムを搭載した燃
料電池自動車においては、燃料１充填あたりの走行距離
をのばすためにも、エネルギーを効率的に使用すること
が課題である。
料電池自動車においては、燃料１充填あたりの走行距離
をのばすためにも、エネルギーを効率的に使用すること
が課題である。
【０００５】さらに、燃料電池自動車においては、燃料
電池、モータ、インバータ等の発熱体が多いが、冷却媒
体（低熱源）としては、外気もしくはエアコンでつくっ
た冷気等しかなく、前者は夏場においては温度が高いた
め冷却能力が低下し、また後者は比較的大きな消費動力
が必要であるという課題があった。
電池、モータ、インバータ等の発熱体が多いが、冷却媒
体（低熱源）としては、外気もしくはエアコンでつくっ
た冷気等しかなく、前者は夏場においては温度が高いた
め冷却能力が低下し、また後者は比較的大きな消費動力
が必要であるという課題があった。
【０００６】本発明は以上の課題に鑑みて案出されたも
のであって、燃料電池システム内において発生する廃エ
ネルギーを積極的に利用することを狙うものである。
のであって、燃料電池システム内において発生する廃エ
ネルギーを積極的に利用することを狙うものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１〜請求項３に記
載の発明においては、高圧容器から燃料電池までの水素
経路に配置され流入する水素を減圧膨張させる膨張機を
有し、該膨張機にて膨張する水素の膨張エネルギーを機
械エネルギーに変換するエネルギー変換手段を有するも
のであり、水素の膨張エネルギーを機械エネルギーとし
て回収することができる。そして、この回収された機械
エネルギーを請求項２、３では熱交換器に対する送風を
行う送風機の駆動用に用いることができる。
載の発明においては、高圧容器から燃料電池までの水素
経路に配置され流入する水素を減圧膨張させる膨張機を
有し、該膨張機にて膨張する水素の膨張エネルギーを機
械エネルギーに変換するエネルギー変換手段を有するも
のであり、水素の膨張エネルギーを機械エネルギーとし
て回収することができる。そして、この回収された機械
エネルギーを請求項２、３では熱交換器に対する送風を
行う送風機の駆動用に用いることができる。
【０００８】請求項４に記載の発明においては、水素の
膨張エネルギーを用いて未反応ガス中から凝縮水を回収
することができる。
膨張エネルギーを用いて未反応ガス中から凝縮水を回収
することができる。
【０００９】請求項５に記載の発明においては、水素の
膨張エネルギーを用いて一方の熱交換器では未反応ガス
から凝縮水を回収することができ、他方の熱交換器では
これに対する送風機を駆動することができる。
膨張エネルギーを用いて一方の熱交換器では未反応ガス
から凝縮水を回収することができ、他方の熱交換器では
これに対する送風機を駆動することができる。
【００１０】請求項６に記載の発明においては、一体化
により全体のコンパクト化を更に達成することができ
る。
により全体のコンパクト化を更に達成することができ
る。
【００１１】請求項７〜１０に記載の発明においては、
水素の膨張エネルギーを用いて発電を行うことができる
ものである。電気エネルギーは請求項８に記載の発明の
ように、直流電力に変換され、これを貯蔵するようにし
てもよい。電気エネルギーに変換する手段としては、請
求項９に記載の発明のように、同期発電機であってもよ
い。また、請求項１０に記載の発明のように、送風機と
これの出力軸に結合された電動機とを備えてもよい。こ
の場合には、同軸駆動が達成でき、水素の膨張エネルギ
ーで同時に送風機の駆動と電動機の駆動を行うことがで
き、構成がコンパクトになる。
水素の膨張エネルギーを用いて発電を行うことができる
ものである。電気エネルギーは請求項８に記載の発明の
ように、直流電力に変換され、これを貯蔵するようにし
てもよい。電気エネルギーに変換する手段としては、請
求項９に記載の発明のように、同期発電機であってもよ
い。また、請求項１０に記載の発明のように、送風機と
これの出力軸に結合された電動機とを備えてもよい。こ
の場合には、同軸駆動が達成でき、水素の膨張エネルギ
ーで同時に送風機の駆動と電動機の駆動を行うことがで
き、構成がコンパクトになる。
【００１２】請求項１１に記載された発明では、水素の
膨張エネルギーにて回転出力軸を回転駆動するように構
成し、この駆動力にて水素ポンプおよび電動機を駆動す
ることができる。
膨張エネルギーにて回転出力軸を回転駆動するように構
成し、この駆動力にて水素ポンプおよび電動機を駆動す
ることができる。
【００１３】請求項１２に記載された発明では、水素の
膨張エネルギーを用いて発電機を駆動して電力を発生さ
せ、該発電機による発電量を制御することで燃料電池へ
の水素供給圧力、供給量を制御することができる。
膨張エネルギーを用いて発電機を駆動して電力を発生さ
せ、該発電機による発電量を制御することで燃料電池へ
の水素供給圧力、供給量を制御することができる。
【００１４】請求項１３に記載された発明では、水素の
膨張エネルギーを用いて発電機を駆動して電力を発生さ
せ、この電力にてペルチェ素子による熱回収を行うこと
ができる。
膨張エネルギーを用いて発電機を駆動して電力を発生さ
せ、この電力にてペルチェ素子による熱回収を行うこと
ができる。
【００１５】請求項１４に記載された発明では、水素の
膨張により得られる熱（低温）を車室内空気と熱交換さ
せることにより、熱回収を行って車室内を冷却すること
ができる。
膨張により得られる熱（低温）を車室内空気と熱交換さ
せることにより、熱回収を行って車室内を冷却すること
ができる。
【００１６】
【発明の実施形態】（第１実施形態）図１は、燃料電池
システムにおける本発明の実施例（システム構成図）で
ある。１は高圧水素タンク、２は燃料電池、３は膨張
機、４はエアコンプレッサ、５は燃料電池冷却用ファ
ン、６は冷却水循環用ポンプ、７は放熱器、８は電動モ
ータ、９は冷却水循環経路、１０は水素供給経路、１１
は水素シャットバルブ、１２は未反応空気排出経路、１
３は未反応水素排出経路、１４は回転軸、２０は凝縮器
用ファン、２１は凝縮回収器、２２は凝縮用熱交換器、
２３は液回収用バルブ、２４は未反応空気入口、２５は
未反応空気出口、２６は外気入口、２７は外気出口、２
８は水排出経路を、それぞれ示している。
システムにおける本発明の実施例（システム構成図）で
ある。１は高圧水素タンク、２は燃料電池、３は膨張
機、４はエアコンプレッサ、５は燃料電池冷却用ファ
ン、６は冷却水循環用ポンプ、７は放熱器、８は電動モ
ータ、９は冷却水循環経路、１０は水素供給経路、１１
は水素シャットバルブ、１２は未反応空気排出経路、１
３は未反応水素排出経路、１４は回転軸、２０は凝縮器
用ファン、２１は凝縮回収器、２２は凝縮用熱交換器、
２３は液回収用バルブ、２４は未反応空気入口、２５は
未反応空気出口、２６は外気入口、２７は外気出口、２
８は水排出経路を、それぞれ示している。
【００１７】燃料電池２はアノード側に水素、カソード
極に酸素（空気）が送りこまれ、発電を行うものであ
り、燃料電池の種類としては、固体高分子型の燃料電池
である。この燃料電池２は発電と同時に熱も発生する。
極に酸素（空気）が送りこまれ、発電を行うものであ
り、燃料電池の種類としては、固体高分子型の燃料電池
である。この燃料電池２は発電と同時に熱も発生する。
【００１８】高圧水素タンク１は水素供給経路１０を介
して燃料電池２と接続されている。タンク１の圧力とし
ては、２５ＭＰａ、３５ＭＰａもしくは７０ＭＰａ等が
一般によく知られている。
して燃料電池２と接続されている。タンク１の圧力とし
ては、２５ＭＰａ、３５ＭＰａもしくは７０ＭＰａ等が
一般によく知られている。
【００１９】上記水素供給経路１０には、水素シャット
バルブ１１と膨張機３とが設置されている。膨張機３に
は膨張エネルギーを回転機械出力として取り出す回転軸
１４が取り付けられ、該回転軸１４の一端にはファン２
０が取り付けられている。
バルブ１１と膨張機３とが設置されている。膨張機３に
は膨張エネルギーを回転機械出力として取り出す回転軸
１４が取り付けられ、該回転軸１４の一端にはファン２
０が取り付けられている。
【００２０】燃料電池２、ポンプ６、放熱器７は循環経
路９により直列に接続されている。
路９により直列に接続されている。
【００２１】ポンプ６は燃料電池２に冷却水（例えばＬ
ＬＣ）を送り込み、冷却水は燃料電池２を通過する際に
該燃料電池２を冷却し、燃料電池２から受け取った熱は
放熱器７で放熱される。ファン５は電動モータ８と接続
され、放熱器７に外気を送風する。
ＬＣ）を送り込み、冷却水は燃料電池２を通過する際に
該燃料電池２を冷却し、燃料電池２から受け取った熱は
放熱器７で放熱される。ファン５は電動モータ８と接続
され、放熱器７に外気を送風する。
【００２２】燃料電池２の未反応空気の排出口と未反応
空気入口２４とは排出経路１２で接続されている。
空気入口２４とは排出経路１２で接続されている。
【００２３】熱交換器２２は回収器２１の内部に設置さ
れている。ファン２０によって送風された外気は熱交換
器２２の内部を通って外気出口２７から排出される。回
収器２１の下部にはバルブ２３が設置されている。該バ
ルブ２３の回収器２１の反対側に水排出経路２８が接続
されている。
れている。ファン２０によって送風された外気は熱交換
器２２の内部を通って外気出口２７から排出される。回
収器２１の下部にはバルブ２３が設置されている。該バ
ルブ２３の回収器２１の反対側に水排出経路２８が接続
されている。
【００２４】未反応空気入口２４から流入した未反応空
気は、２１の内部を通って未反応空気出口２５から排出
される。
気は、２１の内部を通って未反応空気出口２５から排出
される。
【００２５】次に実施形態１の作動について、説明す
る。高圧水素タンク１から水素を減圧した状態で該水素
を燃料電池２に供給する際に、膨張機３により水素の膨
張エネルギーを回収し、回収した膨張エネルギーを機械
エネルギーとして取り出し、燃料電池２の未反応空気に
含まれる蒸気を凝縮させる凝縮用熱交換器２２へ外気を
送風する。得られた凝縮水は、燃料電池２へ送り込む酸
素（大気）ガスもしくは水素ガスの加湿用等に利用す
る。本システムにより、外部からエネルギーを供給する
ことなしに水素の膨張エネルギーを利用して凝縮量を大
幅に増加させることができる。
る。高圧水素タンク１から水素を減圧した状態で該水素
を燃料電池２に供給する際に、膨張機３により水素の膨
張エネルギーを回収し、回収した膨張エネルギーを機械
エネルギーとして取り出し、燃料電池２の未反応空気に
含まれる蒸気を凝縮させる凝縮用熱交換器２２へ外気を
送風する。得られた凝縮水は、燃料電池２へ送り込む酸
素（大気）ガスもしくは水素ガスの加湿用等に利用す
る。本システムにより、外部からエネルギーを供給する
ことなしに水素の膨張エネルギーを利用して凝縮量を大
幅に増加させることができる。
【００２６】ところで、燃料電池２を発電させるとき
は、バルブ１１を開きタンク１から膨張機３へ水素を供
給する。膨張機３に入った水素は、該膨張機３で膨張減
圧し水素供給経路１０を通って燃料電池２に供給され
る。膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張エネルギ
ーを回転軸１４にて回転機械エネルギーとして取り出
し、ファン２０を回転させる。ファン２０の回転によ
り、外気が入口２６を通って熱交換器２２に送り込まれ
る。一方、コンプレッサ４により燃料電池２に送り込ま
れた空気はその酸素の一部が燃料電池２において水素と
反応し発電する。発電反応により水が生成するが、その
水は燃料電池２から排出される未反応空気ガスあるいは
未反応水素ガスと共に燃料電池２から排出される。した
がって、燃料電池２から排出された未反応空気ガスある
いは未反応水素ガスには水が液または気体（蒸気）の形
で含まれている。未反応空気ガスは燃料電池２から排出
され、排出経路１２を通って未反応空気入口２４から回
収器２１に供給され、未反応空気出口２５から排出され
る。そのとき、熱交換器２２において外気と未反応空気
ガスが熱交換を行い、未反応空気ガスに含まれる水蒸気
は熱交換器２２の表面で凝縮する。凝縮水は、重力によ
り回収器２１の下部にたまる。回収器２１の下部に溜ま
った水は、バルブ２３を開くことで水排出経路２８から
外部へ送られ、加湿等に利用される。固体高分子型の燃
料電池の場合、燃料電池２の運転温度は８０℃前後であ
り、燃料電池２から排出される未反応空気ガス、未反応
水素ガス共に８０℃前後である。
は、バルブ１１を開きタンク１から膨張機３へ水素を供
給する。膨張機３に入った水素は、該膨張機３で膨張減
圧し水素供給経路１０を通って燃料電池２に供給され
る。膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張エネルギ
ーを回転軸１４にて回転機械エネルギーとして取り出
し、ファン２０を回転させる。ファン２０の回転によ
り、外気が入口２６を通って熱交換器２２に送り込まれ
る。一方、コンプレッサ４により燃料電池２に送り込ま
れた空気はその酸素の一部が燃料電池２において水素と
反応し発電する。発電反応により水が生成するが、その
水は燃料電池２から排出される未反応空気ガスあるいは
未反応水素ガスと共に燃料電池２から排出される。した
がって、燃料電池２から排出された未反応空気ガスある
いは未反応水素ガスには水が液または気体（蒸気）の形
で含まれている。未反応空気ガスは燃料電池２から排出
され、排出経路１２を通って未反応空気入口２４から回
収器２１に供給され、未反応空気出口２５から排出され
る。そのとき、熱交換器２２において外気と未反応空気
ガスが熱交換を行い、未反応空気ガスに含まれる水蒸気
は熱交換器２２の表面で凝縮する。凝縮水は、重力によ
り回収器２１の下部にたまる。回収器２１の下部に溜ま
った水は、バルブ２３を開くことで水排出経路２８から
外部へ送られ、加湿等に利用される。固体高分子型の燃
料電池の場合、燃料電池２の運転温度は８０℃前後であ
り、燃料電池２から排出される未反応空気ガス、未反応
水素ガス共に８０℃前後である。
【００２７】高圧水素タンクを用いた燃料電池システム
において、水素の供給制御は、燃料電池内部もしくは前
後の水路経路の圧力が所望の値となるように高圧水素タ
ンクから燃料電池までの水素経路に設けられた圧力調整
バルブ（レギュレータ）にて行っていた。今回、膨張機
を取り付け、膨張機によって水素の膨張エネルギーを回
収するだけでなく、圧力調整機能を膨張機に担わせるこ
とで、圧力調整バルブも廃止できる。これによりシステ
ムが複雑化することなく膨張エネルギーの回収が可能と
なる。つまり、膨張エネルギー回収機能付きレギュレー
タである。
において、水素の供給制御は、燃料電池内部もしくは前
後の水路経路の圧力が所望の値となるように高圧水素タ
ンクから燃料電池までの水素経路に設けられた圧力調整
バルブ（レギュレータ）にて行っていた。今回、膨張機
を取り付け、膨張機によって水素の膨張エネルギーを回
収するだけでなく、圧力調整機能を膨張機に担わせるこ
とで、圧力調整バルブも廃止できる。これによりシステ
ムが複雑化することなく膨張エネルギーの回収が可能と
なる。つまり、膨張エネルギー回収機能付きレギュレー
タである。
【００２８】（第２実施形態）図２は、燃料電池システ
ムにおける第２実施形態を示すものである。本実施形態
２は水を凝縮回収させる対象が未反応水素である点のみ
が実施形態１と相違するものである。
ムにおける第２実施形態を示すものである。本実施形態
２は水を凝縮回収させる対象が未反応水素である点のみ
が実施形態１と相違するものである。
【００２９】即ち、燃料電池２にて発生した未反応水素
ガスは排出経路１３を通って未反応水素入口３４から回
収器２１に供給され、未反応水素出口３５から排出され
る。そのとき、熱交換器２２において外気と未反応水素
ガスが熱交換を行い、未反応水素ガスに含まれる水蒸気
は３２の表面で凝縮する。
ガスは排出経路１３を通って未反応水素入口３４から回
収器２１に供給され、未反応水素出口３５から排出され
る。そのとき、熱交換器２２において外気と未反応水素
ガスが熱交換を行い、未反応水素ガスに含まれる水蒸気
は３２の表面で凝縮する。
【００３０】（第３実施形態）図３は、燃料電池システ
ムにおける第３実施形態を示すものである。本第３実施
形態は、膨張機３で回収したエネルギーを機械エネルギ
ーとして回転軸１４から取り出し、該回転軸１４にて放
熱器７に外気を送風するファン６を駆動するものであ
る。これにより、ファン電力を外部から供給することな
しに燃料電池２の冷却を行うことができる。
ムにおける第３実施形態を示すものである。本第３実施
形態は、膨張機３で回収したエネルギーを機械エネルギ
ーとして回転軸１４から取り出し、該回転軸１４にて放
熱器７に外気を送風するファン６を駆動するものであ
る。これにより、ファン電力を外部から供給することな
しに燃料電池２の冷却を行うことができる。
【００３１】（第４実施形態）図４は、燃料電池システ
ムにおける第４実施形態を示すものである。本第４実施
形態は、基本的には第１実施形態と同じ構成である。違
いは、高圧水素タンク１から膨張機により減圧された低
温の水素を水素経路６０を介して凝縮用熱交換器５９に
導入し、水素経路６１を経て燃料電池２に供給するもの
である。これにより、熱交換器５９を通過する低温の水
素の熱を、未反応空気に含まれる蒸気を凝縮させるため
の低熱源として利用することができる。
ムにおける第４実施形態を示すものである。本第４実施
形態は、基本的には第１実施形態と同じ構成である。違
いは、高圧水素タンク１から膨張機により減圧された低
温の水素を水素経路６０を介して凝縮用熱交換器５９に
導入し、水素経路６１を経て燃料電池２に供給するもの
である。これにより、熱交換器５９を通過する低温の水
素の熱を、未反応空気に含まれる蒸気を凝縮させるため
の低熱源として利用することができる。
【００３２】なお、減圧膨張した低温の水素をそのま
ま、燃料電池２（８０℃前後で運転）に供給すると燃料
電池２内にて温度分布が大きくなり、発電効率の点から
好ましくない。従って、本第４実施形態のように高圧水
素から膨張エネルギーを回収する際には、膨張後の水素
を未反応空気にて加熱する手段（熱交換器５９）を設け
た方が好ましい。ちなみに、−８０℃以上の温度で高圧
水素を例えば絞り膨張（＝等エンタルピ膨張）した場合
には、水素の温度は上昇するので、冷却媒体として使用
するのは効率できでない。
ま、燃料電池２（８０℃前後で運転）に供給すると燃料
電池２内にて温度分布が大きくなり、発電効率の点から
好ましくない。従って、本第４実施形態のように高圧水
素から膨張エネルギーを回収する際には、膨張後の水素
を未反応空気にて加熱する手段（熱交換器５９）を設け
た方が好ましい。ちなみに、−８０℃以上の温度で高圧
水素を例えば絞り膨張（＝等エンタルピ膨張）した場合
には、水素の温度は上昇するので、冷却媒体として使用
するのは効率できでない。
【００３３】本システムにより、膨張エネルギーを外部
に取り出せると同時に低温水素（→低温冷媒）の熱も利
用することができる。
に取り出せると同時に低温水素（→低温冷媒）の熱も利
用することができる。
【００３４】なお、本第４実施形態では、冷却媒体とし
て外気と膨張後の低温水素の両方を用いているが、もち
ろん低温水素のみで未反応空気の凝縮を行ってもよい。
て外気と膨張後の低温水素の両方を用いているが、もち
ろん低温水素のみで未反応空気の凝縮を行ってもよい。
【００３５】（第５実施形態）図５は、燃料電池システ
ムにおける第５実施形態を示すものである。本第５実施
形態においては、膨張機３で回収したエネルギーにより
同期発電機６３を回転させることで、発電させようとす
るものである。具体的に説明をすると、同期発電機６３
は、ハウジング６４、ステータコア６５、コイル６６、
ロータコア６７、永久磁石６８、配線６９、回転軸受け
７０から構成されており、回転軸６２に固定されたロー
タコア６７が回転することにより、発電が行われる。
ムにおける第５実施形態を示すものである。本第５実施
形態においては、膨張機３で回収したエネルギーにより
同期発電機６３を回転させることで、発電させようとす
るものである。具体的に説明をすると、同期発電機６３
は、ハウジング６４、ステータコア６５、コイル６６、
ロータコア６７、永久磁石６８、配線６９、回転軸受け
７０から構成されており、回転軸６２に固定されたロー
タコア６７が回転することにより、発電が行われる。
【００３６】燃料電池２を発電させるときは、バルブ１
１を開きタンク１から膨張機３へ水素を供給する。膨張
機３に入った水素は、膨張機３で膨張減圧し水素経路１
０を通って燃料電池２に供給される。
１を開きタンク１から膨張機３へ水素を供給する。膨張
機３に入った水素は、膨張機３で膨張減圧し水素経路１
０を通って燃料電池２に供給される。
【００３７】膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張
エネルギーを回転軸６２から回転機械エネルギーとして
取り出し、ロータコア６７を回転させることで同期発電
機６３にて発電をおこない、配線６９から電気エネルギ
ーとして回収する。水素排出バルブ７２は燃料電池２が
発電持、停止時とも通常は閉じられているが、発電時に
は水素経路１０に溜まった水や混入した不反応ガスの排
出のために開けられる。燃料電池２への水素供給制御
は、水素経路１０に設けた圧利力センサ７１で検出した
水素圧力で行う。燃料電池システムにおいては、効率が
最適になる水素圧力が存在するため、センサ７１で検出
した水素圧力が所望の値になるよう同期発電機６３にて
膨張機３の回転を制御する。同期発電機６３での回生電
力量つまり回転軸の負荷トルクを制御することで回転制
御が可能となる。以上のように発電中は、センサ７１か
らの検出圧力で同期発電機６３にフィードバック制御を
かけて、圧力制御をおこなう。特に発電回生の必要がな
ければ発電しないことも可能である。
エネルギーを回転軸６２から回転機械エネルギーとして
取り出し、ロータコア６７を回転させることで同期発電
機６３にて発電をおこない、配線６９から電気エネルギ
ーとして回収する。水素排出バルブ７２は燃料電池２が
発電持、停止時とも通常は閉じられているが、発電時に
は水素経路１０に溜まった水や混入した不反応ガスの排
出のために開けられる。燃料電池２への水素供給制御
は、水素経路１０に設けた圧利力センサ７１で検出した
水素圧力で行う。燃料電池システムにおいては、効率が
最適になる水素圧力が存在するため、センサ７１で検出
した水素圧力が所望の値になるよう同期発電機６３にて
膨張機３の回転を制御する。同期発電機６３での回生電
力量つまり回転軸の負荷トルクを制御することで回転制
御が可能となる。以上のように発電中は、センサ７１か
らの検出圧力で同期発電機６３にフィードバック制御を
かけて、圧力制御をおこなう。特に発電回生の必要がな
ければ発電しないことも可能である。
【００３８】なお、センサ７１の位置は水素回路中であ
ればどこでもよく、例えば燃料電池２の内部の水素経路
１０や未反応水素排出経路１３に設けてもよい。
ればどこでもよく、例えば燃料電池２の内部の水素経路
１０や未反応水素排出経路１３に設けてもよい。
【００３９】発電機の種類は問わない。本第５実施形態
では効率の高い永久磁石タイプの発電機を用いている。
では効率の高い永久磁石タイプの発電機を用いている。
【００４０】膨張機３と同期電動機６３とは一体でもよ
く、この場合コンパクトにできる。
く、この場合コンパクトにできる。
【００４１】回生したエネルギーの使用用途は問わな
い。例えば、燃料電池自動車に本発明を適用した場合
は、補機や主機モータの電力に使用してもよいし、バッ
テリに充電してもよい。
い。例えば、燃料電池自動車に本発明を適用した場合
は、補機や主機モータの電力に使用してもよいし、バッ
テリに充電してもよい。
【００４２】本第５実施形態では、水素供給制御を圧力
で行っているが、それ以外でも構わない。例えば水素供
給制御を水素供給量で行っても良く、その場合、膨張機
３が容積式であれは膨張機３の回転数を制御すれば供給
水素量を制御することが可能である。
で行っているが、それ以外でも構わない。例えば水素供
給制御を水素供給量で行っても良く、その場合、膨張機
３が容積式であれは膨張機３の回転数を制御すれば供給
水素量を制御することが可能である。
【００４３】本第５実施形態では、電気的手法（発電
機）により水素供給制御を行うので、応答性良く制御す
ることができ、制御の自由度も向上する。
機）により水素供給制御を行うので、応答性良く制御す
ることができ、制御の自由度も向上する。
【００４４】（第６実施形態）図６は、燃料電池システ
ムにおける第６実施形態を示すものである。本第６実施
形態では、同期電動機６３の回転軸８３の両端に電磁ク
ラッチ２７２、３７２を設け、一方の電磁クラッチ２７
２側に膨張機３側の回転軸６２を配置し、他方の電磁ク
ラッチ３７２側にファン５の回転軸８４を配置したもの
であり、必要に応じて電磁クラッチをオン、オフするこ
とにより、発電機６３およびファン５の少なくとも一方
を駆動することができる。
ムにおける第６実施形態を示すものである。本第６実施
形態では、同期電動機６３の回転軸８３の両端に電磁ク
ラッチ２７２、３７２を設け、一方の電磁クラッチ２７
２側に膨張機３側の回転軸６２を配置し、他方の電磁ク
ラッチ３７２側にファン５の回転軸８４を配置したもの
であり、必要に応じて電磁クラッチをオン、オフするこ
とにより、発電機６３およびファン５の少なくとも一方
を駆動することができる。
【００４５】本第６実施形態は、第５実施形態と同様に
膨張エネルギーを電気エネルギーとして回収すると共に
水素の供給圧力制御を行うものであり、第５実施形態と
違うのは第５実施形態の発電機をファン用の電動機と共
有したことが異なる。つまり、一台の電動機（発電機）
にて膨張エネルギーの回収および水素供給圧力制御およ
びファン回転数制御を可能としたことが特徴である。も
ともとファン駆動用の電動機が利用できるため、新たに
発電機が必要でなく、システムが簡素化できる。また、
膨張機３、電動機６３、ファン５の接続は、電磁クラッ
チ２７２、３７２を介すことでそれぞれの単独制御も可
能である。
膨張エネルギーを電気エネルギーとして回収すると共に
水素の供給圧力制御を行うものであり、第５実施形態と
違うのは第５実施形態の発電機をファン用の電動機と共
有したことが異なる。つまり、一台の電動機（発電機）
にて膨張エネルギーの回収および水素供給圧力制御およ
びファン回転数制御を可能としたことが特徴である。も
ともとファン駆動用の電動機が利用できるため、新たに
発電機が必要でなく、システムが簡素化できる。また、
膨張機３、電動機６３、ファン５の接続は、電磁クラッ
チ２７２、３７２を介すことでそれぞれの単独制御も可
能である。
【００４６】燃料電池を発電するときは、１１を開き１
から３へ水素を供給する。３に入った水素は、３で膨張
減圧し１０を通って燃料電池に供給される。２７２、３
７２は図示されない外部電源により任意に断続可能であ
る。
から３へ水素を供給する。３に入った水素は、３で膨張
減圧し１０を通って燃料電池に供給される。２７２、３
７２は図示されない外部電源により任意に断続可能であ
る。
【００４７】本第６実施形態の作動は大きく分けて下記
６つのモードに分類される。
６つのモードに分類される。
【００４８】膨張エネルギー → 電力回収
〔電磁クラッチ２７２：接続、電磁クラッチ３７２：非
接続〕膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張エネル
ギーを回転軸６２に回転機械エネルギーとして取り出
し、その回転エネルギーのすべてを電動機６３により電
気エネルギーとして回収する。
接続〕膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張エネル
ギーを回転軸６２に回転機械エネルギーとして取り出
し、その回転エネルギーのすべてを電動機６３により電
気エネルギーとして回収する。
【００４９】膨張エネルギー → 電力回収＋ファン
駆動 〔電磁クラッチ２７２：接続、電磁クラッチ３７２：接
続〕膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張エネルギ
ーを回転軸６２に回転機械エネルギーとして取り出しそ
の回転エネルギーの一部を電動機６３により電気エネル
ギーとして回収し、残りをファン５の駆動のためのエネ
ルギーとして利用する。
駆動 〔電磁クラッチ２７２：接続、電磁クラッチ３７２：接
続〕膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張エネルギ
ーを回転軸６２に回転機械エネルギーとして取り出しそ
の回転エネルギーの一部を電動機６３により電気エネル
ギーとして回収し、残りをファン５の駆動のためのエネ
ルギーとして利用する。
【００５０】膨張エネルギー ＋ 電力投入 → フ
ァン駆動 〔電磁クラッチ２７２：接続、電磁クラッチ３７２：接
続〕膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張エネルギ
ーを回転軸６２に回転機械エネルギーとして取り出しそ
の回転エネルギーと、配線６９から電力を投入し電動機
７４を駆動させた回転エネルギーの両方を用いてファン
５を駆動する。
ァン駆動 〔電磁クラッチ２７２：接続、電磁クラッチ３７２：接
続〕膨張機３で水素が膨張する際に水素の膨張エネルギ
ーを回転軸６２に回転機械エネルギーとして取り出しそ
の回転エネルギーと、配線６９から電力を投入し電動機
７４を駆動させた回転エネルギーの両方を用いてファン
５を駆動する。
【００５１】電力投入 → ファン駆動
〔電磁クラッチ２７２：非接続、電磁クラッチ３７２：
接続〕配線６９から電力を投入し電動機６３を駆動させ
た回転エネルギーによりファン５を駆動する。
接続〕配線６９から電力を投入し電動機６３を駆動させ
た回転エネルギーによりファン５を駆動する。
【００５２】ファン回転エネルギー → 電力回収
〔電磁クラッチ２７２：非接続、電磁クラッチ３７２：
接続〕ファン５を走行風（ラム風）が得られる場所に配
置し、その場合ラム風によりファン５を回転させ、その
回転エネルギーを電動機６３にて電気エネルギーとして
回収する。
接続〕ファン５を走行風（ラム風）が得られる場所に配
置し、その場合ラム風によりファン５を回転させ、その
回転エネルギーを電動機６３にて電気エネルギーとして
回収する。
【００５３】膨張エネルギー＋ファン回転エネルギー
→ 電力回収 〔電磁クラッチ２７２：接続、電磁クラッチ３７２：接
続〕ファン５を走行風（ラム風）が得られる場所に配置
し、その場合ラム風によりファン５を回転させて得られ
た回転エネルギーと、膨張機３で水素が膨張する際に得
られた水素の膨張エネルギーを電動機６３にて電気エネ
ルギーとして回収する。
→ 電力回収 〔電磁クラッチ２７２：接続、電磁クラッチ３７２：接
続〕ファン５を走行風（ラム風）が得られる場所に配置
し、その場合ラム風によりファン５を回転させて得られ
た回転エネルギーと、膨張機３で水素が膨張する際に得
られた水素の膨張エネルギーを電動機６３にて電気エネ
ルギーとして回収する。
【００５４】なお、膨張機３の回転数制御は、第５実施
形態のように水素の供給圧力や供給水素量によって行
う。また、ファン５の回転数制御は、冷却水の温度を検
知して行う。電磁クラッチ２７２、３７２同時を接続し
ているときは、膨張機３の回転数とファン５の回転数が
同じになるが、第５実施形態のように水素の供給圧力や
供給水素量によって決定される膨張機３の回転数と冷却
水温に決定されるファンの回転数が大きくことなる場合
は、膨張機３を可変容量型の容積式膨張機にし、回転数
はファンの要求回転数に合わせ膨張機の容積変化により
水素供給制御を行う方法と、膨張機３とファン５の回転
軸上に可変変速機を設け、それぞれが理想の回転数にな
るように制御する方法にて対応できる。
形態のように水素の供給圧力や供給水素量によって行
う。また、ファン５の回転数制御は、冷却水の温度を検
知して行う。電磁クラッチ２７２、３７２同時を接続し
ているときは、膨張機３の回転数とファン５の回転数が
同じになるが、第５実施形態のように水素の供給圧力や
供給水素量によって決定される膨張機３の回転数と冷却
水温に決定されるファンの回転数が大きくことなる場合
は、膨張機３を可変容量型の容積式膨張機にし、回転数
はファンの要求回転数に合わせ膨張機の容積変化により
水素供給制御を行う方法と、膨張機３とファン５の回転
軸上に可変変速機を設け、それぞれが理想の回転数にな
るように制御する方法にて対応できる。
【００５５】なお、電磁クラッチ２７２、３７２は何れ
か一つでもよいし、なくてもよい。
か一つでもよいし、なくてもよい。
【００５６】また、電動機（発電機）の種類は問わな
い。周知の通り、電動機と発電機は同じ構成であるた
め、１台の電動機により、電動機および発電機として使
い方分けることができる。
い。周知の通り、電動機と発電機は同じ構成であるた
め、１台の電動機により、電動機および発電機として使
い方分けることができる。
【００５７】膨張機３、電磁クラッチ２７２、３７２、
発電機６３、ファン５は少なくとも１つを一体化するこ
とができる。
発電機６３、ファン５は少なくとも１つを一体化するこ
とができる。
【００５８】本実施形態６では、放熱器７のファン駆動
用電動機と発電機を一体としているが、ファン駆動用電
動機でなくても構わない。例えば、燃料電池自動車に本
発明を適用した場合は、エアコンプレッサや水素循環ポ
ンプ等の補機用の電動機と一体としてもよい。
用電動機と発電機を一体としているが、ファン駆動用電
動機でなくても構わない。例えば、燃料電池自動車に本
発明を適用した場合は、エアコンプレッサや水素循環ポ
ンプ等の補機用の電動機と一体としてもよい。
【００５９】（第７実施形態）図７は、燃料電池システ
ムにおける第７実施形態を示すものである。
ムにおける第７実施形態を示すものである。
【００６０】図７において、高圧水素タンク１から水素
を減圧して燃料電池２に供給する際に、膨張機３により
水素の膨張エネルギーを回収し、回収した膨張エネルギ
ーを機械エネルギーとして取り出し、電動機１０２で発
電もしくは水素循環ポンプ１０１の駆動エネルギーとし
て利用する。水素の膨張エネルギーを循環ポンプ１０１
の駆動エネルギーとして利用できるため、水素循環ポン
プ駆動電動機１０２のエネルギーを削減できるため、効
率的であり、例えば本システムを燃料電池車に適用した
場合には、システム全体の効率が向上するため、燃料１
充填あたりの走行距離を向上させることができる。
を減圧して燃料電池２に供給する際に、膨張機３により
水素の膨張エネルギーを回収し、回収した膨張エネルギ
ーを機械エネルギーとして取り出し、電動機１０２で発
電もしくは水素循環ポンプ１０１の駆動エネルギーとし
て利用する。水素の膨張エネルギーを循環ポンプ１０１
の駆動エネルギーとして利用できるため、水素循環ポン
プ駆動電動機１０２のエネルギーを削減できるため、効
率的であり、例えば本システムを燃料電池車に適用した
場合には、システム全体の効率が向上するため、燃料１
充填あたりの走行距離を向上させることができる。
【００６１】水素の燃料電池２への供給量および水素循
環量は共に燃料電池２の発電量に比例するため、本構成
にすることで、膨張エネルギーを電気エネルギーに変換
することなしに水素循環ポンプ１０１の動力として利用
できるため、エネルギーの利用効率を向上することがで
きる。
環量は共に燃料電池２の発電量に比例するため、本構成
にすることで、膨張エネルギーを電気エネルギーに変換
することなしに水素循環ポンプ１０１の動力として利用
できるため、エネルギーの利用効率を向上することがで
きる。
【００６２】燃料電池２を発電するときは、バルブ１１
を開きタンク１から膨張機３へ水素を供給する。膨張機
３に入った水素は、膨張機３で膨張減圧し水素経路１０
を通って燃料電池２に供給される。膨張機３で水素が膨
張する際に水素の膨張エネルギーを膨張機回転軸６２か
ら回転機械エネルギーとして取り出す。一方、膨張した
水素ガスは燃料電池２に供給され、エアコンプレッサ４
により燃料電池２に供給された空気中の酸素ガスと反応
して発電する。未反応空気ガスは、排出経路１２から排
出される。また、燃料電池２から排出される未反応水素
ガスは、排出経路１３を通って水素循環ポンプ１０１に
入り、該ポンプ１０１に入ったガスは水素吐出経路１１
０に吐出される。通常はシャットバルブ１０７は閉まっ
ており、水素循環通路１０８を通って逆止弁１０６を通
過し経路１０中の水素ガスと混合され燃料電池２に供給
される。定期的に水素循環系に溜まった水分や未反応ガ
スを外部に排出するために、バルブ１０７が開かれ排出
経路１０９を通って排出される。電磁クラッチ１０４は
電気的手段を用いて任意に回転軸６２と回転軸１１３と
の断続を行う。膨張機３の回転数制御は、圧力センサ７
１において検出した圧力が所望の値になるように行う。
また、ポンプ１０１の回転数制御は例えば燃料電池２で
の発電量の大きさによって行う。膨張機３にて水素が膨
張し燃料電池２に供給される際には電磁クラッチ１０４
を接続状態とし電動機１０２で発電すると同時にポンプ
１０１を回転させ、水素の循環を行う。第６実施形態と
同様に水素の膨張エネルギーの回収量が多い場合にはポ
ンプ１０１を回転させると同時に電動機１０２により発
電を行い、電気エネルギーとして回収する。一方、膨張
エネルギーよりポンプ１０１を駆動させるためのエネル
ギーが多く必要な場合には電動機１０２を電動機として
駆動し、ポンプ１０１の回転をアシストする。変速機１
０３は、膨張機３とポンプ１０１との制御回転数が異な
ってもそれぞれが最適な回転数になるように調整され
る。
を開きタンク１から膨張機３へ水素を供給する。膨張機
３に入った水素は、膨張機３で膨張減圧し水素経路１０
を通って燃料電池２に供給される。膨張機３で水素が膨
張する際に水素の膨張エネルギーを膨張機回転軸６２か
ら回転機械エネルギーとして取り出す。一方、膨張した
水素ガスは燃料電池２に供給され、エアコンプレッサ４
により燃料電池２に供給された空気中の酸素ガスと反応
して発電する。未反応空気ガスは、排出経路１２から排
出される。また、燃料電池２から排出される未反応水素
ガスは、排出経路１３を通って水素循環ポンプ１０１に
入り、該ポンプ１０１に入ったガスは水素吐出経路１１
０に吐出される。通常はシャットバルブ１０７は閉まっ
ており、水素循環通路１０８を通って逆止弁１０６を通
過し経路１０中の水素ガスと混合され燃料電池２に供給
される。定期的に水素循環系に溜まった水分や未反応ガ
スを外部に排出するために、バルブ１０７が開かれ排出
経路１０９を通って排出される。電磁クラッチ１０４は
電気的手段を用いて任意に回転軸６２と回転軸１１３と
の断続を行う。膨張機３の回転数制御は、圧力センサ７
１において検出した圧力が所望の値になるように行う。
また、ポンプ１０１の回転数制御は例えば燃料電池２で
の発電量の大きさによって行う。膨張機３にて水素が膨
張し燃料電池２に供給される際には電磁クラッチ１０４
を接続状態とし電動機１０２で発電すると同時にポンプ
１０１を回転させ、水素の循環を行う。第６実施形態と
同様に水素の膨張エネルギーの回収量が多い場合にはポ
ンプ１０１を回転させると同時に電動機１０２により発
電を行い、電気エネルギーとして回収する。一方、膨張
エネルギーよりポンプ１０１を駆動させるためのエネル
ギーが多く必要な場合には電動機１０２を電動機として
駆動し、ポンプ１０１の回転をアシストする。変速機１
０３は、膨張機３とポンプ１０１との制御回転数が異な
ってもそれぞれが最適な回転数になるように調整され
る。
【００６３】なお、電磁クラッチ１０４はなくても構わ
ないし、電動機（発電機）の種類は問わない。各構成部
品３、６２、１０４、１１３、１０３、１１４、１０
２、１１５、１０１は少なくとも１つを一体化すること
ができる。
ないし、電動機（発電機）の種類は問わない。各構成部
品３、６２、１０４、１１３、１０３、１１４、１０
２、１１５、１０１は少なくとも１つを一体化すること
ができる。
【００６４】（第８実施形態）図８は、燃料電池システ
ムにおける第８実施形態を説明するものである。構成
図）である。
ムにおける第８実施形態を説明するものである。構成
図）である。
【００６５】図８において、高圧水素タンク１から水素
を減圧して燃料電池２に供給する際に、膨張機３により
水素の膨張エネルギーを回収し、回収した膨張エネルギ
ーを機械エネルギーとして取り出し、発電機２０１で発
電し、その電気エネルギーを燃料電池２から排出された
未反応空気ガスに含まれる蒸気を凝縮回収させるための
ファン２１３およびペルチェ素子２０４に供給する。外
部からのエネルギー供給なしに凝縮回収量を増加させる
ことができる。
を減圧して燃料電池２に供給する際に、膨張機３により
水素の膨張エネルギーを回収し、回収した膨張エネルギ
ーを機械エネルギーとして取り出し、発電機２０１で発
電し、その電気エネルギーを燃料電池２から排出された
未反応空気ガスに含まれる蒸気を凝縮回収させるための
ファン２１３およびペルチェ素子２０４に供給する。外
部からのエネルギー供給なしに凝縮回収量を増加させる
ことができる。
【００６６】発電機２０１で発生した電力は交流電力で
あるため、配線２１１を経由してコンバータ２０２で直
流電力に変換される。そして、この直流電力はバッテリ
ー２１２に充電され、貯蔵される。バッテリー２１２に
はペルチェ素子２０４、ファン２１３の電動モータ２１
４が接続されている。ペルチェ素子２０４には外気側放
熱フィン２０５、凝縮側放熱フィン２０６が伝熱促進の
ために接続されている。
あるため、配線２１１を経由してコンバータ２０２で直
流電力に変換される。そして、この直流電力はバッテリ
ー２１２に充電され、貯蔵される。バッテリー２１２に
はペルチェ素子２０４、ファン２１３の電動モータ２１
４が接続されている。ペルチェ素子２０４には外気側放
熱フィン２０５、凝縮側放熱フィン２０６が伝熱促進の
ために接続されている。
【００６７】なお、凝縮回収器２１での凝縮水の回収
は、燃料電池２から排出された未反応水素からも同様の
構成にて実施することができる。また、ペルチェ素子２
０４に代えて電気を供給することで熱移動が可能である
手段であれば何でもよい。
は、燃料電池２から排出された未反応水素からも同様の
構成にて実施することができる。また、ペルチェ素子２
０４に代えて電気を供給することで熱移動が可能である
手段であれば何でもよい。
【００６８】（第９実施形態）図９は、燃料電池自動車
の空調に適用した場合の第９実施例形態を示すものであ
る。第９実施形態においては、膨張機３で回収され低温
となった水素を冷房用の冷媒として利用する。即ち、車
室内に配置された熱交換器３０１内に低温水素を導入さ
せる。一方、膨張機３の回転軸６２を電磁クラッチ３０
７を介してファン３０２の回転軸３０８に接続し、膨張
機３で回収したエネルギーをファン３０２に機械エネル
ギーとして伝達して該ファン３０２を回転駆動させ、外
気または内気を熱交換器３０１に導く。これにより、外
気または内気の暖かい空気は熱交換器３０１にて低温と
なり、車室内に送風され、該車室内を冷房する。
の空調に適用した場合の第９実施例形態を示すものであ
る。第９実施形態においては、膨張機３で回収され低温
となった水素を冷房用の冷媒として利用する。即ち、車
室内に配置された熱交換器３０１内に低温水素を導入さ
せる。一方、膨張機３の回転軸６２を電磁クラッチ３０
７を介してファン３０２の回転軸３０８に接続し、膨張
機３で回収したエネルギーをファン３０２に機械エネル
ギーとして伝達して該ファン３０２を回転駆動させ、外
気または内気を熱交換器３０１に導く。これにより、外
気または内気の暖かい空気は熱交換器３０１にて低温と
なり、車室内に送風され、該車室内を冷房する。
【００６９】このように、空調に必要なエネルギーを水
素の膨張エネルギーから得て、冷媒として膨張後の低温
水素を利用するため、従来の冷凍サイクルおよびこれを
駆動するコンプレッサは不要である。
素の膨張エネルギーから得て、冷媒として膨張後の低温
水素を利用するため、従来の冷凍サイクルおよびこれを
駆動するコンプレッサは不要である。
【００７０】なお、もちろん既存の冷凍サイクルと組み
合わせて冷房を行ってもよい。
合わせて冷房を行ってもよい。
【００７１】（第１０実施形態）図１０は、本発明を燃
料電池自動車に適用した場合第１０実施形態を示すもの
である。第１０実施形態において、燃料電池車の車室内
は、一般的に良く知られた冷凍サイクルを用いたエアコ
ンにより快適な温度に制御されている。そのため、夏場
等は車室内気の方が外気温より低くなるため、凝縮用の
冷媒として外気よりも有効であることに着目した。得ら
れた凝縮水を例えば、ラジエータやエアコンの室外機
（コンデンサ）の表面に直接噴射することで、ラジエー
タファンの稼働率を低下させることで車両燃費を向上さ
せたり、エアコンの冷凍サイクルの効率を向上させるこ
とで車両燃費を向上させることができる。
料電池自動車に適用した場合第１０実施形態を示すもの
である。第１０実施形態において、燃料電池車の車室内
は、一般的に良く知られた冷凍サイクルを用いたエアコ
ンにより快適な温度に制御されている。そのため、夏場
等は車室内気の方が外気温より低くなるため、凝縮用の
冷媒として外気よりも有効であることに着目した。得ら
れた凝縮水を例えば、ラジエータやエアコンの室外機
（コンデンサ）の表面に直接噴射することで、ラジエー
タファンの稼働率を低下させることで車両燃費を向上さ
せたり、エアコンの冷凍サイクルの効率を向上させるこ
とで車両燃費を向上させることができる。
【００７２】方法としては、燃料電池２から排出された
未反応空気ガスを排出経路１２より凝縮器５０１の内部
に導く。一方、車室内気を電動モータ５０３によって駆
動された送風ファン５０２により、凝縮器５０１へ送風
する。凝縮器５０１では、未反応空気ガスと車室内気が
熱交換を行い、未反応空気ガスに含まれる水蒸気が凝縮
する。凝縮した水は凝縮器５０１の下部に溜まり、水排
出バルブ５０４を通って水排出経路５０５から排出され
る。必要なときにバルブ５０４を開いて液を回収する。
エバポレータ５０６は、図示しない冷凍サイクルの一部
であり、減圧膨張された低温冷媒がエバポレータ５０６
に流入し、電動モータ５０９で駆動された送風ファン５
０８により送風された空気と熱交換し、冷却された空気
を車室内に導入している。
未反応空気ガスを排出経路１２より凝縮器５０１の内部
に導く。一方、車室内気を電動モータ５０３によって駆
動された送風ファン５０２により、凝縮器５０１へ送風
する。凝縮器５０１では、未反応空気ガスと車室内気が
熱交換を行い、未反応空気ガスに含まれる水蒸気が凝縮
する。凝縮した水は凝縮器５０１の下部に溜まり、水排
出バルブ５０４を通って水排出経路５０５から排出され
る。必要なときにバルブ５０４を開いて液を回収する。
エバポレータ５０６は、図示しない冷凍サイクルの一部
であり、減圧膨張された低温冷媒がエバポレータ５０６
に流入し、電動モータ５０９で駆動された送風ファン５
０８により送風された空気と熱交換し、冷却された空気
を車室内に導入している。
【００７３】なお、本発明において、膨張機に関して
は、効率の点から容積式のものが望ましい。しかし、膨
張機でエネルギーを回収すると水素の温度が低下するた
め、あまり水素の温度を低下させたくないときは、非容
積式を用いた方が良いときもある。（非容積式のエネル
ギー回収効率は）２０〜３０％であり、容積式の効率
（５０〜７０％）よりも低いため。）膨張機の構成とし
ては、スクロール式やローリングピストン方式等あるが
構成は問わない。
は、効率の点から容積式のものが望ましい。しかし、膨
張機でエネルギーを回収すると水素の温度が低下するた
め、あまり水素の温度を低下させたくないときは、非容
積式を用いた方が良いときもある。（非容積式のエネル
ギー回収効率は）２０〜３０％であり、容積式の効率
（５０〜７０％）よりも低いため。）膨張機の構成とし
ては、スクロール式やローリングピストン方式等あるが
構成は問わない。
【００７４】ちなみに膨張機としては、特開２０００―
３２９４１６号公報の実施例（図１１、２１）に記載の
構成が公知である。
３２９４１６号公報の実施例（図１１、２１）に記載の
構成が公知である。
【００７５】また、水素は可燃ガスであるため漏れない
ようにすべきであり、上記実施形例に記載のように膨張
機と発電機（電動機）を一体にする場合は、対応例とし
て膨張機と発電機を一体構造として容器の中に封入する
方式や、膨張機のみの機密性を高め、電磁カップリング
を用いて出力を取り出す方法がある。
ようにすべきであり、上記実施形例に記載のように膨張
機と発電機（電動機）を一体にする場合は、対応例とし
て膨張機と発電機を一体構造として容器の中に封入する
方式や、膨張機のみの機密性を高め、電磁カップリング
を用いて出力を取り出す方法がある。
【図１】第１実施形態を説明する構成図である。
【図２】第２実施形態を説明する構成図である。
【図３】第３実施形態を説明する構成図である。
【図４】第４実施形態を説明する構成図である。
【図５】第５実施形態を説明する構成図である。
【図６】第６実施形態を説明する構成図である。
【図７】第７実施形態を説明する構成図である。
【図８】第８実施形態を説明する構成図である。
【図９】第９実施形態を説明する構成図である。
【図１０】第１０実施形態を説明する構成図である。
１ 水素タンク
２ 燃料電池
３ 膨張機
８ 電動モータ
１４ 回転軸
２１ 凝縮回収器
２２ 凝縮用熱交換器
６３ 電動機
２０２ コンバータ
２０４ ペルチェ素子
２１２ バッテリー
Claims (19)
- 【請求項１】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃料
電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池まで
の水素供給経路に配置され流入する水素を減圧膨張させ
る膨張機と、前記膨張機にて膨張する水素の膨張エネル
ギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃料
電池システムにおいて、燃料電池冷却用の熱交換器と、
前記高圧容器から燃料電池までの水素供給経路に配置さ
れ流入する水素を減圧膨張させる膨張機と、前記膨張機
にて膨張する水素の膨張エネルギーを機械エネルギーに
変換するエネルギー変換手段と、該エネルギー変換手段
により駆動されて前記熱交換器に送風を行う送風装置と
を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項３】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃料
電池システムにおいて、燃料電池から排出された未反応
空気ガスを外気と熱交換させ前記未反応空気ガス中の蒸
気を凝縮して回収する凝縮回収器と、前記高圧容器から
燃料電池までの水素供給経路に配置され流入する水素を
減圧膨張させる膨張機と、前記膨張機にて膨張する水素
の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換するエネルギ
ー変換手段と、該エネルギー変換手段により駆動されて
前記熱交換器に外気を送風する送風装置とを有すること
を特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項４】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃料
電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池まで
の水素供給経路に配置され流入する水素を減圧膨張させ
る膨張機と、前記膨張機にて膨張後の水素と燃料電池か
ら排出された未反応空気ガスを熱交換させ前記未反応空
気ガス中の蒸気を凝縮して回収する凝縮回収器とを有す
ることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項５】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃料
電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池まで
の水素供給経路に配置され流入する水素を減圧膨張させ
る膨張機と、前記膨張機にて膨張後の水素と燃料電池か
ら排出された未反応空気ガスを熱交換させる第１の熱交
換器と、前記燃料電池から排出された未反応空気ガスと
外気を熱交換させる第２の熱交換器と、前記両熱交換器
により未反応空気ガス中の水蒸気が凝縮した水を回収す
る回収器と、前記膨張機にて膨張する水素の膨張エネル
ギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換手段
と、該エネルギー変換手段により前記第２の熱交換器に
外気を送風する送風装置とを有することを特徴とする燃
料電池システム。 - 【請求項６】 請求項５記載の燃料電池システムにおい
て、前記第１の熱交換器、前記第２の熱交換器、前記回
収器、及び前記送風装置のうち少なくとも１つが一体化
されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項７】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃料
電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池まで
の水素供給経路に配置され流入する水素を減圧膨張させ
る膨張機と、前記膨張機にて膨張する水素の膨張エネル
ギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換手段
と、該変換手段により変換された機械エネルギーを電気
エネルギーに変換する電気エネルギー変換手段とを有す
ることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項８】 請求項７記載の燃料電池システムにおい
て、前記電気エネルギー変換手段から得られた電気エネ
ルギーを直流電力に変換する変換手段と、該直流電力を
貯蔵する貯蔵手段とを蓄えることを特徴とする燃料電池
システム。 - 【請求項９】 請求項７または８記載の燃料電池システ
ムにおいて、前記電気エネルギー変換手段が同期発電機
であることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１０】 請求項２、３、５、または６の何れか
１つに記載の燃料電池システムにおいて、エネルギー変
換手段にて変換された機械エネルギーより駆動される送
風機と、該送風機の出力軸に結合された電動機とを有す
ることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１１】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃
料電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池ま
での水素供給経路に配置され流入する水素を減圧膨張さ
せる膨張機と、前記膨張機にて膨張する水素の膨張エネ
ルギーを回転エネルギーとして出力する回転出力軸と、
前記燃料電池から排出された未反応水素ガスを該燃料電
池の前記水素供給経路に戻す循環経路と、該循環経路中
に設けられ水素を循環させる水素ポンプと、前記水素ポ
ンプを駆動するための電動機とを有し、前記回転出力軸
と前記水素ポンプと前記電動機が機械的に接続されてい
ることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１２】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃
料電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池ま
での水素供給経路に配置され流入する水素を減圧膨張さ
せる膨張機と、前記膨張機にて膨張する水素の膨張エネ
ルギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換手段
と、該手段により変換されたエネルギーが供給されて電
力を発生させる発電機とを有し、該発電機の発電量を制
御することにより、前記燃料電池への水素供給圧力もし
くは水素供給量を制御することを特徴とする燃料電池シ
ステム。 - 【請求項１３】 水素ガスの供給源が高圧容器である燃
料電池システムにおいて、前記高圧容器から燃料電池ま
での水素供給経路に配置され流入する水素を減圧膨張さ
せる膨張機と、前記膨張機にて膨張する水素の膨張エネ
ルギーを機械エネルギーに変換するエネルギー変換手段
と、該手段により変換されたエネルギーが供給されて電
力を発生させる発電機と、前記発電機から回収した電力
を直流に変換する変換手段と、前記変換手段から得られ
た直流電力が供給され熱輸送をおこなうペルチェ素子
と、燃料電池から排出された未反応空気ガスあるいは未
反応水素ガスの排出経路に前記ペルチェ素子の低温側が
熱的に接続され、未反応空気ガスあるいは未反応水素ガ
ス中に含まれる蒸気を凝縮し回収する凝縮回収器とを有
することを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１４】 水素ガスの供給源が高圧容器である電
気自動車用の燃料電池システムにおいて、前記高圧容器
から燃料電池までの水素供給経路に配置され流入する水
素を減圧膨張させるとともに水素の膨張エネルギーを回
収する膨張機と、前記膨張機にて減圧された水素と車室
内に導入される空気と熱交換を行う熱交換器とを備え、
該熱交換器により前記電気車の車室内の冷房を行うこと
を特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１５】 請求項１〜１４記載の燃料電池システ
ムにおいて、前記膨張機から前記機械エネルギーの変換
手段の出力側に至る駆動力の伝達経路に駆動力伝達制御
手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１６】 請求項１５記載の燃料電池システムに
おいて、前記駆動力伝達制御手段は電磁クラッチである
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１７】 請求項１〜１６の何れか１つに記載の
燃料電池システムにおいて、前記膨張機から前記機械エ
ネルギーの変換手段の出力側に至る駆動力の伝達経路に
変速手段を配置し、該変速手段により前記出力軸の回転
数を可変とするようにしたことを特徴とする燃料電池シ
ステム。 - 【請求項１８】 請求項１〜１７の何れか１つに記載の
燃料電池システムにおいて、前記膨張機が容積式流体機
械であることを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項１９】 燃料電池自動車において、燃料電池か
ら排出された空気ガスあるいは水素ガス経路に設けられ
車室内気と熱交換させ前記未反応空気ガスあるいは未反
応水素ガス中の蒸気を凝縮して回収する凝縮回収器と、
前記凝縮回収器に車室内気を送風する送風装置を有する
ことを特徴とする燃料電池システム。
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|---|---|---|---|
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-
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- 2002-01-22 JP JP2002012923A patent/JP3903798B2/ja not_active Expired - Fee Related
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