JP2004158371A - 燃料電池システムおよび燃料電池車 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料減圧弁及び燃料ガス温度部の温度低下を防ぐことのできる燃料供給装置および燃料電池車を提供する。
【解決手段】ラジエータ８−コンプレッサ７間に冷却水を循環させる主冷却流路９と、コンプレッサ７−減圧弁４間に冷却水を循環させる副冷却流路１１を備える。また、減圧弁４を暖機する必要があるかどうかを判断する暖機判断手段（Ｓ１０２）と、暖機判断手段の出力に応じて、冷却水を主冷却流路９と副冷却流路１１のどちらに循環させるかを切り換える流路切換弁１０と、を備える。モータ冷却流路２８をコンプレッサ７内に構成し、暖機判断手段において暖機が必要だと判断されたときは副冷却流路１１に冷媒を循環させる。
【選択図】 図１
【解決手段】ラジエータ８−コンプレッサ７間に冷却水を循環させる主冷却流路９と、コンプレッサ７−減圧弁４間に冷却水を循環させる副冷却流路１１を備える。また、減圧弁４を暖機する必要があるかどうかを判断する暖機判断手段（Ｓ１０２）と、暖機判断手段の出力に応じて、冷却水を主冷却流路９と副冷却流路１１のどちらに循環させるかを切り換える流路切換弁１０と、を備える。モータ冷却流路２８をコンプレッサ７内に構成し、暖機判断手段において暖機が必要だと判断されたときは副冷却流路１１に冷媒を循環させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池車に関する。特に高圧燃料容器内の燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システム、および、そのような燃料電池システムを搭載した燃料電池車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、天然ガス自動車（ＮＧＶ）では、燃料ガス特性により、常温での使用環境でも減圧部による燃料ガス温度低下が無視できないため、常温環境下でも常にエンジン冷却水を減圧弁に循環させて、減圧弁の温度を維持している。
【０００３】
また、モータの熱を利用する例としては、燃料電池、モータを搭載した車輌において、発熱部としての燃料電池、動力モータを冷却するラジエータ、冷媒路、冷却ポンプからなる冷却装置と、熱素子を備えたものが知られている。これは、冷却装置で燃料電池およびモータの発熱部を冷却することにより反応・作動に適した温度状態に制御しつつ、熱電子素子に伝達される熱量を制御する。これにより、発熱部の温度制御と廃熱回収効率の向上を実現する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３６６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、燃料電池ユニットの燃料として高圧水素ガスを用いる場合には、極低温下の燃料供給時には、減圧弁における温度低下の影響が無視できなくなる場合がある。
【０００６】
例えば、構成上純水を持つ燃料電池ユニットを用いた場合には、始動開始から走行可能になるまでのある一定時間、例えば、凍っている純水を全て凍結するまでの時間には、純水を解凍するための暖機運転が行われる。この解凍プロセスは燃料である高圧水素ガスを用いて行われるが、供給する水素ガスの温度を維持する必要があり、また、部品品質の点から、特に温度低下が大きい減圧弁部を保温する必要がある。
【０００７】
ここで、解凍にヒータ等を用いることもできるが、この場合には消費電力の増加で解凍時間が伸びる恐れがあり、これにより車輌走行開始への時間が延びる可能性が生じる。
【０００８】
そこで、本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、極低温時の解凍時間にも、燃料減圧弁及び燃料ガス温度部の温度低下を防ぐことのできる燃料電池システムおよび燃料電池車を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料電池ユニットに減圧手段を介して減圧した燃料ガスを供給する高圧燃料容器と、前記燃料電池ユニットに酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記燃料電池ユニットと高圧燃料容器を接続し、且つ、前記コンプレッサで受熱するように前記コンプレッサを経由する燃料ガス流路を備える。また、前記コンプレッサを冷却する冷媒の放熱を行う熱交換手段と、前記コンプレッサと前記熱交換手段との間で冷媒を循環させる主冷却回路と、前記減圧手段と前記コンプレッサとの間で熱の授受を行うように冷媒を循環させる副冷却回路を備える。また、前記コンプレッサで受熱した冷媒の前記主冷却回路と前記副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、前記減圧手段の暖機の必要性を判断する暖気判断手段を備える。さらに、前記暖機の必要が判断されたときには前記副冷却回路に冷媒を循環させるように前記回路切換手段を切り換える制御手段と、を備える。
【００１０】
または、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに減圧手段を介して減圧した燃料ガスを供給する高圧燃料容器と、前記燃料電池ユニットで生じた電力を用いて車輌を駆動させる駆動モータを備える。また、前記燃料電池ユニットと前記高圧燃料容器を接続し、且つ、前記駆動モータで受熱するように前記駆動モータを経由する燃料ガス流路と、前記駆動モータを冷却する冷媒の放熱を行う熱交換手段を備える。また、前記駆動モータと前記熱交換手段との間で冷媒を循環させる主冷却回路と、前記減圧手段と前記駆動モータとの間で熱の授受を行うように冷媒を循環させる副冷却回路を備える。また、前記駆動モータで受熱した冷媒の主冷却回路と副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、前記減圧手段の暖機の必要性を判断する暖機判断手段を備える。さらに、起動時に、前記暖機の必要が判断されたときには、前記駆動モータを負荷がゼロの状態で運転するとともに、前記副冷却回路に冷媒を循環させるように前記回路切換手段を切り換える制御手段と、を備える。
【００１１】
【作用及び効果】
燃料電池ユニットと高圧燃料容器を接続し、且つ、コンプレッサで受熱するようにコンプレッサを経由する燃料ガス流路を備える。これにより、コンプレッサを経由する際に燃料ガスは受熱することができ、燃料ガス温度を維持することができる。また、コンプレッサで受熱した冷媒の主冷却回路と副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、減圧手段の暖機の必要性を判断する暖機判断手段と、暖機の必要が判断されたときには副冷却回路に冷媒を循環させるように回路切換手段を切り換える制御手段を備える。これにより、減圧手段の暖機が必要となった際には、コンプレッサの冷却により高温となった冷媒を減圧手段に循環させることができるので、減圧手段の温度を過度に低下させることなく部品品質を維持することができる。
【００１２】
または、燃料電池ユニットと高圧燃料容器を接続し、且つ、駆動モータで受熱するように駆動モータを経由する燃料ガス流路を備える。これにより、駆動モータを経由する際に燃料ガスは受熱することができ、燃料ガス温度を維持することができる。また、駆動モータで受熱した冷媒の主冷却回路と副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、減圧手段の暖機の必要性を判断する暖機判断手段と、起動時に暖機の必要が判断されたときには、駆動モータを負荷がゼロの状態で運転するとともに、副冷却回路に冷媒を循環させるように回路切換手段を切り換える制御手段を備える。このように、起動時に走行を行わないため使われていない駆動モータで電流は流すが出力を取り出さない運転を行うことで、熱容量の大きな駆動モータからの発熱を促進させ、入力値がほぼそのまま発熱となる駆動モータからの発熱を積極的に利用することが可能となる。これにより、燃料ガスの温度を維持できると共に減圧手段の品質を維持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。ここでは、燃料電池システムを燃料電池車に搭載した場合を説明する。なお、燃料電池ユニット１に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行う。
【００１４】
スタックを含む燃料電池ユニット１を備える。燃料電池ユニット１には、燃料ガスとしての水素ガスと、酸化剤ガスとしての空気を供給し、スタックで電気化学反応を生じることにより発電を行う。燃料電池ユニット１に水素ガスを供給する燃料系６としては、高温圧縮した水素ガスの貯蔵部である高圧燃料容器２、高圧水素ガスを流通する高圧配管３、高圧水素ガスの減圧を行う減圧弁４、減圧した水素ガスを流通する低圧配管５を備える。高圧燃料容器２の水素ガス出口部には、容器元弁２ａを備え、高圧燃料容器２の開閉を行う。また、低圧配管５を、後述するコンプレッサ７の内部を経由して減圧弁４から燃料電池ユニット１に水素ガスが供給されるように構成する。ここで、水素ガスはコンプレッサ７を経由する際にコンプレッサ７から受熱し、暖められてから燃料電池ユニット１に供給される。
【００１５】
また、燃料電池ユニット１に空気を供給する酸化剤系に、コンプレッサ７を備える。ここではコンプレッサ７を電動コンプレッサとする。つまり、コンプレッサ７として、後述するようにモータ部３０の出力を用いてコンプレッサ部３１において空気を燃料電池ユニット１に圧送するものを用いる。この圧送された空気と、燃料系６から供給された水素ガスとを反応させることにより起電力を生じる。
【００１６】
ここで、コンプレッサ７では駆動に伴って、主にモータ部３０で熱が生じるので、これを適温に維持するために冷却媒体、ここでは冷却水を循環させる。冷却水をコンプレッサ７に循環させる冷却系２０として、高温となった冷却水の放熱を行うラジエータ８と、コンプレッサ７で受熱した冷却水をラジエータ８に循環させることにより冷却水温度を調整する主冷却流路９を備える。また、冷却系２０として、この主冷却流路９と並列に接続する副冷却流路１１をさらに備える。副冷却流路１１は、コンプレッサ７で昇温した冷却水を、前述した減圧弁４を暖め再びコンプレッサ７に循環するように構成する。さらに、冷却水を主冷却流路９に循環させるか副冷却流路１１に循環させるかを選択的に切り換える流路切換弁１０ａ、１０ｂ、外気温度Ｔａを検出する外気温度センサ２１、外気温度Ｔａに応じて冷却水の循環流路を制御する制御装置２２を備える。
【００１７】
ここでは、コンプレッサ７の上流側と下流側に流路切換弁１０ａ、１０ｂを備える。流路切換弁１０を、コンプレッサ７と主冷却流路９を連通させるか、コンプレッサ７と副冷却流路１１を連通させるかを選択的に切り換える手段とする。この流路切換弁１０を制御することにより、冷却水を主冷却流路９に流すか副冷却流路１１に流すかを制御する。流路切換弁１０は三方弁等により構成することができる。
【００１８】
通常運転時には、流路切換弁１０を主冷却流路９側に開き、ラジエータ８で温度調整された冷却水をコンプレッサ７の冷却に用いる。一方、極低温下の起動運転時には、流路切換弁１０を副冷却流路１１側に開き、コンプレッサ７において昇温した冷却水を用いて、減圧弁４で熱交換することにより、減圧弁４の温度が水素ガスの減圧に伴って過度に低下するのを抑制する。
【００１９】
次に、燃料系６に備えた減圧弁４の構成を図２を用いて説明する。ここでは、減圧弁４の内部に熱交換を行うための減圧弁冷却流路２２を備える。なお。減圧弁冷却流路は、副冷却流路１１の一部である。
【００２０】
減圧弁４として、ダイアフラムを用いた２段構成の減圧弁を用いる。高圧燃料入口Ｈｉｎから減圧弁４に導入された高圧水素ガスは、第１減圧部４ａ、第２減圧部４ｂで調圧された後、低圧燃料出口Ｈｏｕｔから吐出される。このとき、水素ガスが減圧するので、水素ガス温度は低下して減圧弁４の温度も低下する。そこで、減圧弁４内に減圧弁冷却流路２２を構成することで、副冷却流路１１を循環する冷却水を流通させる。これにより、コンプレッサ７で高温となった冷却水を用いて減圧弁４の温度を維持することができる。減圧弁冷却流路２２を、減圧弁４内の水素ガスの経路近傍に、ここでは取り巻くように構成する。これにより、水素ガスの温度低下を抑制することができる。なお、ここではダイアフラムを備えた２段式の減圧弁４を用いたがこの限りではなく、冷却水の流通路を備えた既存の減圧手段であればよい。
【００２１】
次に、コンプレッサ７の構成を図３を用いて説明する。ここではインナーロータタイプのモータを用いるがこの限りではない。また、水素ガスをモータ部３０で熱交換させることで水素ガス温度を維持するが、コンプレッサ部３１で摩擦等により熱が生じる場合には、コンプレッサ部３１において熱交換を行ってもよい。同様に、冷却水をコンプレッサ部３１に循環させてもよい。図３（ａ）にはコンプレッサ７の縦断面を、図３（ｂ）には横断面を示す。
【００２２】
コンプレッサ７を、モータ部３０と、コンプレッサ部３１と、機械式冷却水ポンプ３２とから構成する。モータ部３０の出力は出力軸３０ａを介してコンプレッサ部３１に送られ、コンプレッサ部３１において空気の圧送を行う。
【００２３】
モータ部３０を、中心軸から外側に向かって軸２４、ロータ２５、ステータ２６を配置し、それらを略円筒形状のハウジング２７に収容することにより構成する。ステータ２６には図示しないステータコイル等を備え、これに導通させることによりロータ２５が回転運動を生じる。このときモータ部３０、特にステータコイルを備えたステータ２６の温度が上昇する。そこで、図３（ｂ）の横断面に示すように、ステータ２６の外周に沿ってモータ冷却流路２８を構成する。ここでは、モータ冷却流路２８をモータ部３０の軸方向に沿って構成する。また、周方向に均等にモータ冷却流路２８がハウジング２７の側壁内に埋め込まれるように構成する。このように構成することで、モータ冷却流路２８を流れる冷却水によりモータ部３０、特にステータ２６の温度上昇を抑制することができる。
【００２４】
また、ステータ２６の外周に沿って低圧配管５の一部であるモータ燃料ガス流路２９を構成する。ここでは、モータ燃料ガス流路２９をモータ部３０の軸方向に沿って構成する。また、周方向に均等にモータ燃料ガス流路２９がハウジング２７の側壁内に埋め込まれるように構成する。このように、燃料ガス流路２９を流れる水素ガスをモータ部３０の発熱部近傍に流通させることで、水素ガス温度の低下を抑制して水素ガス温度を維持する。さらに、モータ冷却流路２８とモータ燃料ガス流路２９とを周方向に交互に構成する。これにより、モータ部３０の周方向の熱除去効率を均一化して熱による局所的な劣化を抑制する。
【００２５】
ここでは、図３（ａ）に示すように、冷却流路２８を冷却水入口ＭＷｉｎから供給された冷却水が、軸方向に複数往復することによりステータ２６の外周に沿って流通し、冷却水出口ＭＷｏｕｔから排出されるように構成する。また、燃料ガス流路２９も同様に、水素ガス入口ＭＨｉｎから供給された水素ガスが、軸方向に複数往復することによりステータ２６の外周に沿って流通し、水素ガス出口ＭＨｏｕｔから排出されるように構成する。
【００２６】
また、図４に示すように、コンプレッサ７には機械式冷却水ポンプ部３２を備える。これは、出力軸３０ａのコンプレッサ部３１と反対側に接続し、モータ部３０の回転に伴って駆動する。この機械式冷却ポンプ３２によりモータ部３０から排出された冷却水を圧送して冷却系２０を循環させる。
【００２７】
次に、このような装置において行う運転パターンを説明する。
【００２８】
図５に、低温起動時における車輌の運転パターンを示す。燃料電池ユニット１には純水を含む系が存在しているため、極低温下の起動時には、まずこの純水系の解凍作動を行う。ここで、凍った純水が完全に溶け切るまでを解凍時間とする。例えば燃料電池ユニット１の純水系と熱交換可能な冷却水系を備え、この冷却水系を流れる冷却水温度がゼロを超えるまでを解凍時間とする。燃料電池ユニット１は解凍時間中にも溶けた純水を用いて発電を行うため、空気の圧送を行うコンプレッサ７を部分出力運転から全開運転領域のいずれかで運転する。そのため、解凍時間中でも、コンプレッサ７の冷却が必要となり、モータ冷却流路２８に冷却水を循環させる必要がある。同様に、解凍時間には、高圧燃料容器２からの水素ガスも燃料電池ユニット１に供給される。このとき、減圧弁４の温度は水素ガスの減圧に伴ってさらに低下するので、前述したように冷却系２０を副冷却流路１１側に設定して、温度上昇した冷却水を用いて減圧弁４を暖機する。
【００２９】
スタックにおける発電等による解凍が進行し、純水が溶け切った時点で、燃料電池ユニット１で生じた電力を図示しない駆動モータに供給する。そのため、駆動モータの運転は解凍時間終了後となるので、解凍時間中には駆動モータによる発熱は生じない。
【００３０】
このように、解凍時間中にはスタックで生じる熱は解凍に使用され、駆動モータは停止している。そこで、本実施形態では、解凍中にコンプレッサ７で生じる熱を用いて水素ガス温度を維持する。
【００３１】
次に、減圧弁４を暖機するかどうか、言い換えれば、水素ガスの減圧弁４における温度低下を抑制するかどうかを判断する方法について説明する。ここでは外気温度センサ２１で検出した外気温度（雰囲気温度）Ｔａに応じて判断する。
【００３２】
常温における車輌全開出力（最大水素消費量）における水素ガスの温度の低下を図６に示す。図６は、常温時において、走行を開始してから搭載燃料量により決定される走行制限時まで、最大水素消費を継続した場合の燃料電池ユニット１に供給される水素ガスの温度変化を示している。ここでは、減圧弁４の温度低下により水素ガス温度が過度に低下したり、凍結による部品の寿命が短縮されることはないと考えられる。これに対して、極低温からの起動時には、全開出力時より温度の低下速度は小さいが、解凍中でも水素ガス温度および部品寿命考慮のための保温が必要となる。
【００３３】
そこで、走行制限時に燃料電池ユニット１に供給される水素ガス温度をＴｉｎｆとして予め求めておく。減圧弁４の暖機を行うかどうかの判断に用いる所定温度Ｔ０として、Ｔ０＝Ｔｉｎｆ−１０（℃）を採用する。ここで所定温度Ｔ０は、所定温度Ｔ０より大きい温度が、起動時に温度低下により減圧弁４の品質が劣化する可能性がない温度、または水素ガス温度を適切に保持することができる温度であればよく、実験等により求めても良い。
【００３４】
例えば、Ｔｉｎｆ＝−５℃の場合、Ｔ０＝−１５℃となる。この条件を例として、以下説明する。
【００３５】
解凍プロセス開始時の外気温度ＴａがＴ０（＝−１５℃）より大きい場合には、水素ガス温度の低下による影響がないと判断できる。そのため、図８に示すように、冷却水を主冷却流路９に流通させるように流路切換弁１０を設定する。これにより、冷却水は減圧弁４を流れずに、主冷却流路９に備えたラジエータ８とコンプレッサ７間を循環する。このときには、水素ガスがモータ燃料ガス流路２９を流れる際にコンプレッサ７から熱を受け取るので、減圧弁４の温度が低下しても水素ガスの温度を維持することができる。
【００３６】
一方、解凍開始時の外気温度ＴａがＴ０以下の場合には、水素ガス温度低下による影響がある温度領域となる。そこで、図９に示すように減圧弁４に冷却水を流通させる。つまり、流路切換弁１０を副冷却流路１１側に開く。これにより、冷却水は、コンプレッサ７と減圧弁４との間を循環する。このとき、冷却水はラジエータ８を通らないので、副冷却流路１１における冷却水温度が上昇する。その結果、減圧弁４を暖めて寿命を維持し、また水素ガスの温度低下を抑制する。さらに、水素ガスはコンプレッサ７内を流通する際に受熱するので、水素ガス温度が上昇する。つまり、図９に示すように、冷却水の放熱を停止して減圧弁４で熱交換を行うことにより、減圧弁４および水素ガス温度を維持し、さらにコンプレッサ７に水素ガスを流通させることにより水素ガス温度を上昇させる。
【００３７】
次に、このような燃料供給を行うための制御方法を図１０のフローチャートを用いて説明する。本フローは、燃料電池ユニット１の起動の信号を検知したら開始する。
【００３８】
ステップＳ１０１において、外気温度センサ２１を用いて外気温度Ｔａを検出する。次にステップＳ１０２において、減圧弁４の暖機を行うかどうかを判断する。ここでは外気温度Ｔａと所定温度Ｔ０とを比較する。Ｔａ＞Ｔ０の場合には、減圧弁４が過度に低下することはないと判断してステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では流路切換弁１０を主冷却流路９側に開く。これにより、水素ガスはコンプレッサ７のみで暖められる。
【００３９】
一方、ステップＳ１０２において、Ｔａ≦Ｔ０の場合には、減圧弁４が過度に低下する可能性があると判断してステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、流路切換弁１０を副冷却流路１１側に開く。これにより、減圧弁４が冷却水により暖機されると共に、水素ガスが減圧弁４およびコンプレッサ７において暖められる。
【００４０】
ここで、本実施形態と従来技術との比較を行う。従来技術として図７に示すようなシステムを用いる。つまり、冷却流路として主冷却流路９を備え、また、減圧弁４を介して供給される水素ガスは、コンプレッサ７を通らずに燃料電池ユニット１に供給される。このように構成した場合には、極低温からの起動時には、減圧弁４の温度低下に伴って水素ガス温度が低下する。その結果、燃料電池ユニット１の起動時間の延長や、装置の寿命短縮の原因となった。これに対して、本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、通常運転時にはコンプレッサ７で水素ガスが受熱するので、減圧弁４の温度が低下しても水素ガスの温度が維持される。また、図９（ｂ）に示すように、極低温起動時には、通常時と同様にコンプレッサ７で水素ガスの受熱を行うと共に、高温となった冷却水が減圧弁４を経由することで、減圧弁４の温度低下を抑える。
【００４１】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００４２】
燃料電池ユニット１に空気を供給するコンプレッサ７と、燃料電池ユニット１に減圧弁４を介して減圧した水素ガスを供給する高圧燃料容器２を備える。また、燃料電池ユニット１と高圧燃料容器２を接続し、且つ、コンプレッサ７で受熱するようにコンプレッサ７を経由する燃料ガス流路（高圧配管３、低圧配管５）と、コンプレッサ７を冷却する冷却水の放熱を行うラジエータ８を備える。また、コンプレッサ７とラジエータ８との間で冷却水を循環させる主冷却流路９と、減圧弁４とコンプレッサ７との間で熱の授受を行うように冷却水を循環させる副冷却流路１１と、コンプレッサ７で受熱した冷却水の主冷却流路９と副冷却流路１１への循環を選択的に切り換える流路切換手段１０を備える。さらに、減圧弁４の暖機の必要性を判断する暖気判断手段（Ｓ１０２）と、暖機の必要が判断されたときには副冷却流路１１に冷却水を循環させるように流路切換手段１０を切り換える制御手段（Ｓ１０４）と、を備える。
【００４３】
これにより、水素ガスがコンプレッサ７において受熱するので、水素ガスを保温・暖気して温度維持することができる。また、コンプレッサ７の冷却により高温となった冷却水を用いて減圧弁４を暖機するので、減圧弁４の温度を過度に低下させることなく部品寿命を維持することができる。また、減圧弁４の温度低下を抑制することで、流通する水素ガスの温度低下を抑制することができる。
【００４４】
特に起動時に、コンプレッサ７で生じた熱を水素ガスの保温および暖気に用いることで、燃料電池や駆動モータ等からの熱を期待できない起動時にも水素ガス温度を維持して起動時間の短縮することができる。また、減圧弁４の温度低下を抑制して部品寿命を維持することができる。また、減圧弁４に高温の冷却水を流通させているが、減圧弁４が低温に対して耐久性がある場合には、この限りではなく、高温冷却水と低温水素ガスとの間で熱交換を行うように構成すればよい。
【００４５】
ここでは、コンプレッサ７を経由する際に、水素ガスがモータ燃料ガス流路２９の近傍を流通するように燃料ガス流路を構成する。これにより、高温の冷却水と低温の水素ガスとの間で熱交換を行うことができる。
【００４６】
また、雰囲気温度（外気温度Ｔａ）を検出する外気温度センサ２１を備え、外気温度センサ２１により検出した外気温度Ｔａが所定温度Ｔ０以下となった場合に、暖機判断手段において暖機が必要だと判断する。これにより、水素ガス温度の維持および減圧弁４の温度維持を行うことができる。特に起動時に、外気温度Ｔａを所定温度とすることで、燃料電池ユニット１の解凍プロセス中に減圧弁４が過度に低下する可能性があるかどうかを判断することができる。
【００４７】
なお、通常運転では減圧弁４温度の過度の低下は生じないとして、燃料電池ユニット１において解凍プロセスが必要な起動時のみについて説明しているが、通常運転時にも減圧弁４温度の過度の低下が生じる場合には、スタック等で生じる熱を用いて暖機することができる。または、減圧弁４または燃料電池ユニット１に供給される水素ガスの温度を検出する温度センサを備え、発電効率が低下する水素ガスの温度範囲や、減圧弁４の品質に影響を受ける温度範囲を予め実験等により設定しておく。前記温度センサが温度範囲を検出した際に、冷却系２０を副冷却流路１１に切り換えることで、通常運転時に発電効率の低下が生じたり、減圧弁４が劣化したりするのを抑制することができる。
【００４８】
次に、第２の実施形態に用いる燃料電池システムを図１１を用いて説明する。また、燃料電池ユニット１に供給される水素ガス温度および減圧弁４の温度変化を図１２に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００４９】
ここでは、コンプレッサ７と減圧弁４との間の距離を極力短くする。これにより、副冷却流路１１の熱容量が小さくなるので、減圧弁４の温度上昇の時間を短縮することが可能となる。また、低圧配管５のうち水素ガスが比較的低温となる部分、つまり減圧弁４とコンプレッサ７とを連通する部分の距離が小さくなるので、水素ガスの温度を短時間で上昇させることができる。つまり、図１２に示すように、副冷却流路１１の熱容量が小さくなったので、冷却水で保温または暖機する減圧弁４の温度を短時間で上昇することができる。また、水素ガス温度は、低圧流路５の低温部分が低減するので温度上昇が早くなる。
【００５０】
本実施形態は、第１の実施形態に加えて次のような効果を得ることができる。
【００５１】
コンプレッサ７と減圧弁４とを近傍に配置することにより、副冷却流路１１の経路容積を小さくする。これにより、極低温時に副冷却流路１１内の熱交換を容易にする。また、減圧してから暖められるまでの水素ガスの経路を短くすることで、コンプレッサ７内部の冷却水と水素ガスの熱交換を容易にする。さらに、減圧弁４とコンプレッサ７間の距離を短くすることで、コンプレッサ７からの発熱に対して短時間で冷却水の温度を上げることができる。さらに、水素ガス温度に関しても温度低下を低減することができる。
【００５２】
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムの構成を図１３に示す。
【００５３】
水素ガス温度は長時間放置することにより外気温とほぼ同じになる。しかしながら、充填直後の高圧燃料容器２が暖まっている場合などには、図１４に示すように水素ガス温度の初期値は必ずしも外気温度により決定しない。そこで、高圧燃料容器２内部に高圧燃料温度センサ３５を備え、高圧燃料容器２内の高圧水素ガスの温度Ｔｔに応じて冷却系２０を切り換える。ここでは、冷却系２０内の主冷却流路９と副冷却流路１１との連通を切り換える流路切換弁１０への動作指令を、高圧燃料温度センサ３５の出力に応じて行う。
【００５４】
これにより、解凍開始時の外気温度Ｔａによらず、使用している水素ガス温度Ｔｔによって冷却水の循環路を設定できるため、温度環境が急変した場合にもリアルタイムで適切な修正を行うことが可能となる。
【００５５】
本実施形態のフローチャートを図１５に示す。本フローを、燃料電池ユニット１の解凍プロセスの間、繰り返し行う。
【００５６】
ステップＳ１４１において、高圧燃料温度センサ３５の出力から高圧燃料容器２内の水素ガス温度Ｔｔを検出する。ステップＳ１４２において、冷却水を用いた暖機が必要かどうかを判断する。ここでは水素ガス温度Ｔｔが所定温度Ｔ０以下かどうかを判断する。Ｔ０より高い場合には常温と判断して、ステップＳ１４３において流路切換弁１０を主冷却流路９側に開とする。これにより、コンプレッサ７において水素ガスを温度保持・暖気する。
【００５７】
一方、水素ガス温度Ｔｔが所定温度Ｔ０以下であると判断されたら極低温状態と判断して、ステップＳ１４４に進み、流路切換弁１０を副冷却流路１１側に開とする。これにより、コンプレッサ７において水素ガスを暖めるとともに、減圧弁４を高温の冷却水を用いて暖機する。
【００５８】
ステップＳ１４５において、再び水素ガス温度Ｔｔを取得したらステップＳ１４２に戻り、高圧燃料容器２から供給される水素ガスが常温であるか極低温であるかを判断して冷却系２０の循環路を決定する。
【００５９】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態の効果と異なる効果のみを説明する。
【００６０】
高圧燃料容器２内部の温度を検出する高圧燃料温度センサ３５を備え、高圧燃料温度センサ３５により検出した温度が所定温度Ｔ０以下となった場合に、暖機判断手段（Ｓ１４２）において暖機が必要だと判断する。これにより、極低温起動時において高圧燃料温度Ｔｔが低い場合にのみ副冷却流路１１が連通し、充填直後の起動シーンなどで起こる、外気温度Ｔａが低くても高圧燃料温度Ｔｔが高い場合に暖機を行わないことができ、不要な暖機による燃費悪化を抑制することが可能となる。
【００６１】
次に、第４の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池車の概略を図１６に示す。
【００６２】
ここでは、コンプレッサ７の替わりに駆動モータ４０に備えた冷却系２０を用いて減圧弁４の暖機を行う。また、低圧配管５の一部を駆動モータ４０の内部に構成する。なお、冷却系２０および燃料系６の構成はコンプレッサ７の替わりに駆動モータ４０を用いるほか、第１の実施形態と同様とする。
【００６３】
駆動モータ４０には、燃料電池ユニット１で生じた電力を用いて駆動される。駆動モータ４０の出力はファイナルギア４１を介してタイヤ４２に伝達されて車輌が走行する。
【００６４】
図５の極低温時における車輌の運転パターンで示したように、極低温からの起動時において、燃料電池車は走行を行わない。図５においては、駆動モータ４０は解凍プロセス中には運転しないが、本実施形態では、電流は流すが出力を取り出さない指令を行う。これにより、駆動モータ４０で発熱が促進される。そこで、第１〜３の実施形態のコンプレッサ７における水素ガスの受熱の換わりに、本実施形態では駆動モータ４０における水素ガスの受熱を行う。つまり、駆動モータ４０に流れる冷却水を減圧弁４に選択的に循環させることが可能であるとともに、水素ガスを駆動モータ４０の発熱部付近に流通させる。
【００６５】
例えば、１５ｋＷの出力コンプレッサ７の効率が９０％としても、熱としては１．５ｋＷ程度しか利用できないが、８０ｋＷ級の駆動モータ４０を数ｋＷ程度出力を取り出さずに電流を流すと、これ以上の熱の熱源として利用することができる。
【００６６】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて次のような効果を得ることができる。
【００６７】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池ユニット１と、燃料電池ユニット１に減圧弁４を介して減圧した水素ガスを供給する高圧燃料容器２と、燃料電池ユニット１で生じた電力を用いて車輌を駆動させる駆動モータ４０を備える。また、燃料電池ユニット１と高圧燃料容器２を接続し、且つ、駆動モータ４０で受熱するように駆動モータ４０を経由する燃料ガス流路（高圧配管３、低圧配管５）と、駆動モータ４０を冷却する冷媒の放熱を行うラジエータ８を備える。また、駆動モータ４０とラジエータ８との間で冷却水を循環させる主冷却流路９と、減圧弁４と駆動モータ４０との間で熱の授受を行うように冷却水を循環させる副冷却流路１１と、駆動モータ４０で受熱した冷却水の主冷却流路９と副冷却流路１１への循環を選択的に切り換える流路切換弁１０を備える。さらに、減圧弁４の暖機の必要性を判断する暖機判断手段（Ｓ１４２）と、起動時に、暖機の必要が判断されたときには、駆動モータ４０を負荷がゼロの状態で運転するとともに、副冷却流路１１に冷却水を循環させるように流路切換弁１０を切り換える制御手段（Ｓ１４４）を備える。
【００６８】
このように駆動モータ４０に対して電流は流すが出力を取り出さない指令を行うことで、熱容量の大きな駆動モータ４０からの発熱を促進させ、入力値がほぼそのまま発熱となる本駆動モータ４０からの発熱を積極的に利用することが可能となる。
【００６９】
なお、上記実施形態では、高圧燃料容器２を一本のみ車載している場合を説明しているが、適応される車輌の容積、レイアウト等により変更することができる。同様に、コンプレッサ７内部や、減圧弁４内部における冷却流路および燃料ガス流路の構成も一例である、熱交換を十分に行える構成であればよい。さらに、所定温度Ｔ０による冷却系２０の循環路の切り換えも、その温度は容器の構成、最大貯蔵圧力等により変化する。ここでは、所定温度Ｔ０＝Ｔｉｎｆ−１０［℃］としているがこの限りではなく、実験等により求めても良い。
【００７０】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の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】第１の実施形態に用いる燃料供給装置の構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる減圧弁の構成図である。
【図３】第１の実施形態に用いるコンプレッサのモータ部の構造図である。
【図４】第１の実施形態に用いるコンプレッサの機械式冷却水ポンプ部の構造図である。
【図５】第１の実施形態における低温時の車輌の運転パターンを示す図である。
【図６】第１の実施形態における車輌全開出力における燃料ガス温度の低下を示す図である。
【図７】従来の燃料供給装置の構成図である。
【図８】第１の実施形態における主冷却流路連通状態を示す図である。
【図９】第２の実施形態における副冷却流路連通状態を示す図である。
【図１０】第１の実施形態におけるフロ−チャートである。
【図１１】第２の実施形態に用いる燃料供給装置の構成図である。
【図１２】第２の実施形態に用いる減圧弁と水素ガスの温度変化を示す図である。
【図１３】第３の実施形態に用いる燃料供給装置の構成図である。
【図１４】第３の実施形態に用いる減圧弁と水素ガスの温度変化を示す図である。
【図１５】第３の実施形態におけるフローチャートである。
【図１６】第４の実施形態に用いる燃料電池車の概略図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池ユニット
２ 高圧燃料容器
３ 高圧配管（燃料ガス流路）
４ 減圧弁（減圧手段）
５ 低圧配管（燃料ガス流路）
７ コンプレッサ
８ ラジエータ
９ 主冷却流路（主冷却回路）
１０ 流路切換弁（回路切換手段）
１１ 副冷却流路（副冷却回路）
２１ 外気温度センサ（雰囲気温度検出手段）
３５ 高圧燃料温度センサ（高圧燃料温度検出手段）
４０ 駆動モータ
Ｓ１０２、１４２ 暖気判断手段
Ｓ１０４、１４４ 制御手段
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池車に関する。特に高圧燃料容器内の燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池システム、および、そのような燃料電池システムを搭載した燃料電池車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、天然ガス自動車（ＮＧＶ）では、燃料ガス特性により、常温での使用環境でも減圧部による燃料ガス温度低下が無視できないため、常温環境下でも常にエンジン冷却水を減圧弁に循環させて、減圧弁の温度を維持している。
【０００３】
また、モータの熱を利用する例としては、燃料電池、モータを搭載した車輌において、発熱部としての燃料電池、動力モータを冷却するラジエータ、冷媒路、冷却ポンプからなる冷却装置と、熱素子を備えたものが知られている。これは、冷却装置で燃料電池およびモータの発熱部を冷却することにより反応・作動に適した温度状態に制御しつつ、熱電子素子に伝達される熱量を制御する。これにより、発熱部の温度制御と廃熱回収効率の向上を実現する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３６６６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、燃料電池ユニットの燃料として高圧水素ガスを用いる場合には、極低温下の燃料供給時には、減圧弁における温度低下の影響が無視できなくなる場合がある。
【０００６】
例えば、構成上純水を持つ燃料電池ユニットを用いた場合には、始動開始から走行可能になるまでのある一定時間、例えば、凍っている純水を全て凍結するまでの時間には、純水を解凍するための暖機運転が行われる。この解凍プロセスは燃料である高圧水素ガスを用いて行われるが、供給する水素ガスの温度を維持する必要があり、また、部品品質の点から、特に温度低下が大きい減圧弁部を保温する必要がある。
【０００７】
ここで、解凍にヒータ等を用いることもできるが、この場合には消費電力の増加で解凍時間が伸びる恐れがあり、これにより車輌走行開始への時間が延びる可能性が生じる。
【０００８】
そこで、本発明は上記の問題を鑑みてなされたものであり、極低温時の解凍時間にも、燃料減圧弁及び燃料ガス温度部の温度低下を防ぐことのできる燃料電池システムおよび燃料電池車を提供することを目的とする。
【０００９】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、燃料電池ユニットに減圧手段を介して減圧した燃料ガスを供給する高圧燃料容器と、前記燃料電池ユニットに酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記燃料電池ユニットと高圧燃料容器を接続し、且つ、前記コンプレッサで受熱するように前記コンプレッサを経由する燃料ガス流路を備える。また、前記コンプレッサを冷却する冷媒の放熱を行う熱交換手段と、前記コンプレッサと前記熱交換手段との間で冷媒を循環させる主冷却回路と、前記減圧手段と前記コンプレッサとの間で熱の授受を行うように冷媒を循環させる副冷却回路を備える。また、前記コンプレッサで受熱した冷媒の前記主冷却回路と前記副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、前記減圧手段の暖機の必要性を判断する暖気判断手段を備える。さらに、前記暖機の必要が判断されたときには前記副冷却回路に冷媒を循環させるように前記回路切換手段を切り換える制御手段と、を備える。
【００１０】
または、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに減圧手段を介して減圧した燃料ガスを供給する高圧燃料容器と、前記燃料電池ユニットで生じた電力を用いて車輌を駆動させる駆動モータを備える。また、前記燃料電池ユニットと前記高圧燃料容器を接続し、且つ、前記駆動モータで受熱するように前記駆動モータを経由する燃料ガス流路と、前記駆動モータを冷却する冷媒の放熱を行う熱交換手段を備える。また、前記駆動モータと前記熱交換手段との間で冷媒を循環させる主冷却回路と、前記減圧手段と前記駆動モータとの間で熱の授受を行うように冷媒を循環させる副冷却回路を備える。また、前記駆動モータで受熱した冷媒の主冷却回路と副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、前記減圧手段の暖機の必要性を判断する暖機判断手段を備える。さらに、起動時に、前記暖機の必要が判断されたときには、前記駆動モータを負荷がゼロの状態で運転するとともに、前記副冷却回路に冷媒を循環させるように前記回路切換手段を切り換える制御手段と、を備える。
【００１１】
【作用及び効果】
燃料電池ユニットと高圧燃料容器を接続し、且つ、コンプレッサで受熱するようにコンプレッサを経由する燃料ガス流路を備える。これにより、コンプレッサを経由する際に燃料ガスは受熱することができ、燃料ガス温度を維持することができる。また、コンプレッサで受熱した冷媒の主冷却回路と副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、減圧手段の暖機の必要性を判断する暖機判断手段と、暖機の必要が判断されたときには副冷却回路に冷媒を循環させるように回路切換手段を切り換える制御手段を備える。これにより、減圧手段の暖機が必要となった際には、コンプレッサの冷却により高温となった冷媒を減圧手段に循環させることができるので、減圧手段の温度を過度に低下させることなく部品品質を維持することができる。
【００１２】
または、燃料電池ユニットと高圧燃料容器を接続し、且つ、駆動モータで受熱するように駆動モータを経由する燃料ガス流路を備える。これにより、駆動モータを経由する際に燃料ガスは受熱することができ、燃料ガス温度を維持することができる。また、駆動モータで受熱した冷媒の主冷却回路と副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、減圧手段の暖機の必要性を判断する暖機判断手段と、起動時に暖機の必要が判断されたときには、駆動モータを負荷がゼロの状態で運転するとともに、副冷却回路に冷媒を循環させるように回路切換手段を切り換える制御手段を備える。このように、起動時に走行を行わないため使われていない駆動モータで電流は流すが出力を取り出さない運転を行うことで、熱容量の大きな駆動モータからの発熱を促進させ、入力値がほぼそのまま発熱となる駆動モータからの発熱を積極的に利用することが可能となる。これにより、燃料ガスの温度を維持できると共に減圧手段の品質を維持することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成を図１に示す。ここでは、燃料電池システムを燃料電池車に搭載した場合を説明する。なお、燃料電池ユニット１に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行う。
【００１４】
スタックを含む燃料電池ユニット１を備える。燃料電池ユニット１には、燃料ガスとしての水素ガスと、酸化剤ガスとしての空気を供給し、スタックで電気化学反応を生じることにより発電を行う。燃料電池ユニット１に水素ガスを供給する燃料系６としては、高温圧縮した水素ガスの貯蔵部である高圧燃料容器２、高圧水素ガスを流通する高圧配管３、高圧水素ガスの減圧を行う減圧弁４、減圧した水素ガスを流通する低圧配管５を備える。高圧燃料容器２の水素ガス出口部には、容器元弁２ａを備え、高圧燃料容器２の開閉を行う。また、低圧配管５を、後述するコンプレッサ７の内部を経由して減圧弁４から燃料電池ユニット１に水素ガスが供給されるように構成する。ここで、水素ガスはコンプレッサ７を経由する際にコンプレッサ７から受熱し、暖められてから燃料電池ユニット１に供給される。
【００１５】
また、燃料電池ユニット１に空気を供給する酸化剤系に、コンプレッサ７を備える。ここではコンプレッサ７を電動コンプレッサとする。つまり、コンプレッサ７として、後述するようにモータ部３０の出力を用いてコンプレッサ部３１において空気を燃料電池ユニット１に圧送するものを用いる。この圧送された空気と、燃料系６から供給された水素ガスとを反応させることにより起電力を生じる。
【００１６】
ここで、コンプレッサ７では駆動に伴って、主にモータ部３０で熱が生じるので、これを適温に維持するために冷却媒体、ここでは冷却水を循環させる。冷却水をコンプレッサ７に循環させる冷却系２０として、高温となった冷却水の放熱を行うラジエータ８と、コンプレッサ７で受熱した冷却水をラジエータ８に循環させることにより冷却水温度を調整する主冷却流路９を備える。また、冷却系２０として、この主冷却流路９と並列に接続する副冷却流路１１をさらに備える。副冷却流路１１は、コンプレッサ７で昇温した冷却水を、前述した減圧弁４を暖め再びコンプレッサ７に循環するように構成する。さらに、冷却水を主冷却流路９に循環させるか副冷却流路１１に循環させるかを選択的に切り換える流路切換弁１０ａ、１０ｂ、外気温度Ｔａを検出する外気温度センサ２１、外気温度Ｔａに応じて冷却水の循環流路を制御する制御装置２２を備える。
【００１７】
ここでは、コンプレッサ７の上流側と下流側に流路切換弁１０ａ、１０ｂを備える。流路切換弁１０を、コンプレッサ７と主冷却流路９を連通させるか、コンプレッサ７と副冷却流路１１を連通させるかを選択的に切り換える手段とする。この流路切換弁１０を制御することにより、冷却水を主冷却流路９に流すか副冷却流路１１に流すかを制御する。流路切換弁１０は三方弁等により構成することができる。
【００１８】
通常運転時には、流路切換弁１０を主冷却流路９側に開き、ラジエータ８で温度調整された冷却水をコンプレッサ７の冷却に用いる。一方、極低温下の起動運転時には、流路切換弁１０を副冷却流路１１側に開き、コンプレッサ７において昇温した冷却水を用いて、減圧弁４で熱交換することにより、減圧弁４の温度が水素ガスの減圧に伴って過度に低下するのを抑制する。
【００１９】
次に、燃料系６に備えた減圧弁４の構成を図２を用いて説明する。ここでは、減圧弁４の内部に熱交換を行うための減圧弁冷却流路２２を備える。なお。減圧弁冷却流路は、副冷却流路１１の一部である。
【００２０】
減圧弁４として、ダイアフラムを用いた２段構成の減圧弁を用いる。高圧燃料入口Ｈｉｎから減圧弁４に導入された高圧水素ガスは、第１減圧部４ａ、第２減圧部４ｂで調圧された後、低圧燃料出口Ｈｏｕｔから吐出される。このとき、水素ガスが減圧するので、水素ガス温度は低下して減圧弁４の温度も低下する。そこで、減圧弁４内に減圧弁冷却流路２２を構成することで、副冷却流路１１を循環する冷却水を流通させる。これにより、コンプレッサ７で高温となった冷却水を用いて減圧弁４の温度を維持することができる。減圧弁冷却流路２２を、減圧弁４内の水素ガスの経路近傍に、ここでは取り巻くように構成する。これにより、水素ガスの温度低下を抑制することができる。なお、ここではダイアフラムを備えた２段式の減圧弁４を用いたがこの限りではなく、冷却水の流通路を備えた既存の減圧手段であればよい。
【００２１】
次に、コンプレッサ７の構成を図３を用いて説明する。ここではインナーロータタイプのモータを用いるがこの限りではない。また、水素ガスをモータ部３０で熱交換させることで水素ガス温度を維持するが、コンプレッサ部３１で摩擦等により熱が生じる場合には、コンプレッサ部３１において熱交換を行ってもよい。同様に、冷却水をコンプレッサ部３１に循環させてもよい。図３（ａ）にはコンプレッサ７の縦断面を、図３（ｂ）には横断面を示す。
【００２２】
コンプレッサ７を、モータ部３０と、コンプレッサ部３１と、機械式冷却水ポンプ３２とから構成する。モータ部３０の出力は出力軸３０ａを介してコンプレッサ部３１に送られ、コンプレッサ部３１において空気の圧送を行う。
【００２３】
モータ部３０を、中心軸から外側に向かって軸２４、ロータ２５、ステータ２６を配置し、それらを略円筒形状のハウジング２７に収容することにより構成する。ステータ２６には図示しないステータコイル等を備え、これに導通させることによりロータ２５が回転運動を生じる。このときモータ部３０、特にステータコイルを備えたステータ２６の温度が上昇する。そこで、図３（ｂ）の横断面に示すように、ステータ２６の外周に沿ってモータ冷却流路２８を構成する。ここでは、モータ冷却流路２８をモータ部３０の軸方向に沿って構成する。また、周方向に均等にモータ冷却流路２８がハウジング２７の側壁内に埋め込まれるように構成する。このように構成することで、モータ冷却流路２８を流れる冷却水によりモータ部３０、特にステータ２６の温度上昇を抑制することができる。
【００２４】
また、ステータ２６の外周に沿って低圧配管５の一部であるモータ燃料ガス流路２９を構成する。ここでは、モータ燃料ガス流路２９をモータ部３０の軸方向に沿って構成する。また、周方向に均等にモータ燃料ガス流路２９がハウジング２７の側壁内に埋め込まれるように構成する。このように、燃料ガス流路２９を流れる水素ガスをモータ部３０の発熱部近傍に流通させることで、水素ガス温度の低下を抑制して水素ガス温度を維持する。さらに、モータ冷却流路２８とモータ燃料ガス流路２９とを周方向に交互に構成する。これにより、モータ部３０の周方向の熱除去効率を均一化して熱による局所的な劣化を抑制する。
【００２５】
ここでは、図３（ａ）に示すように、冷却流路２８を冷却水入口ＭＷｉｎから供給された冷却水が、軸方向に複数往復することによりステータ２６の外周に沿って流通し、冷却水出口ＭＷｏｕｔから排出されるように構成する。また、燃料ガス流路２９も同様に、水素ガス入口ＭＨｉｎから供給された水素ガスが、軸方向に複数往復することによりステータ２６の外周に沿って流通し、水素ガス出口ＭＨｏｕｔから排出されるように構成する。
【００２６】
また、図４に示すように、コンプレッサ７には機械式冷却水ポンプ部３２を備える。これは、出力軸３０ａのコンプレッサ部３１と反対側に接続し、モータ部３０の回転に伴って駆動する。この機械式冷却ポンプ３２によりモータ部３０から排出された冷却水を圧送して冷却系２０を循環させる。
【００２７】
次に、このような装置において行う運転パターンを説明する。
【００２８】
図５に、低温起動時における車輌の運転パターンを示す。燃料電池ユニット１には純水を含む系が存在しているため、極低温下の起動時には、まずこの純水系の解凍作動を行う。ここで、凍った純水が完全に溶け切るまでを解凍時間とする。例えば燃料電池ユニット１の純水系と熱交換可能な冷却水系を備え、この冷却水系を流れる冷却水温度がゼロを超えるまでを解凍時間とする。燃料電池ユニット１は解凍時間中にも溶けた純水を用いて発電を行うため、空気の圧送を行うコンプレッサ７を部分出力運転から全開運転領域のいずれかで運転する。そのため、解凍時間中でも、コンプレッサ７の冷却が必要となり、モータ冷却流路２８に冷却水を循環させる必要がある。同様に、解凍時間には、高圧燃料容器２からの水素ガスも燃料電池ユニット１に供給される。このとき、減圧弁４の温度は水素ガスの減圧に伴ってさらに低下するので、前述したように冷却系２０を副冷却流路１１側に設定して、温度上昇した冷却水を用いて減圧弁４を暖機する。
【００２９】
スタックにおける発電等による解凍が進行し、純水が溶け切った時点で、燃料電池ユニット１で生じた電力を図示しない駆動モータに供給する。そのため、駆動モータの運転は解凍時間終了後となるので、解凍時間中には駆動モータによる発熱は生じない。
【００３０】
このように、解凍時間中にはスタックで生じる熱は解凍に使用され、駆動モータは停止している。そこで、本実施形態では、解凍中にコンプレッサ７で生じる熱を用いて水素ガス温度を維持する。
【００３１】
次に、減圧弁４を暖機するかどうか、言い換えれば、水素ガスの減圧弁４における温度低下を抑制するかどうかを判断する方法について説明する。ここでは外気温度センサ２１で検出した外気温度（雰囲気温度）Ｔａに応じて判断する。
【００３２】
常温における車輌全開出力（最大水素消費量）における水素ガスの温度の低下を図６に示す。図６は、常温時において、走行を開始してから搭載燃料量により決定される走行制限時まで、最大水素消費を継続した場合の燃料電池ユニット１に供給される水素ガスの温度変化を示している。ここでは、減圧弁４の温度低下により水素ガス温度が過度に低下したり、凍結による部品の寿命が短縮されることはないと考えられる。これに対して、極低温からの起動時には、全開出力時より温度の低下速度は小さいが、解凍中でも水素ガス温度および部品寿命考慮のための保温が必要となる。
【００３３】
そこで、走行制限時に燃料電池ユニット１に供給される水素ガス温度をＴｉｎｆとして予め求めておく。減圧弁４の暖機を行うかどうかの判断に用いる所定温度Ｔ０として、Ｔ０＝Ｔｉｎｆ−１０（℃）を採用する。ここで所定温度Ｔ０は、所定温度Ｔ０より大きい温度が、起動時に温度低下により減圧弁４の品質が劣化する可能性がない温度、または水素ガス温度を適切に保持することができる温度であればよく、実験等により求めても良い。
【００３４】
例えば、Ｔｉｎｆ＝−５℃の場合、Ｔ０＝−１５℃となる。この条件を例として、以下説明する。
【００３５】
解凍プロセス開始時の外気温度ＴａがＴ０（＝−１５℃）より大きい場合には、水素ガス温度の低下による影響がないと判断できる。そのため、図８に示すように、冷却水を主冷却流路９に流通させるように流路切換弁１０を設定する。これにより、冷却水は減圧弁４を流れずに、主冷却流路９に備えたラジエータ８とコンプレッサ７間を循環する。このときには、水素ガスがモータ燃料ガス流路２９を流れる際にコンプレッサ７から熱を受け取るので、減圧弁４の温度が低下しても水素ガスの温度を維持することができる。
【００３６】
一方、解凍開始時の外気温度ＴａがＴ０以下の場合には、水素ガス温度低下による影響がある温度領域となる。そこで、図９に示すように減圧弁４に冷却水を流通させる。つまり、流路切換弁１０を副冷却流路１１側に開く。これにより、冷却水は、コンプレッサ７と減圧弁４との間を循環する。このとき、冷却水はラジエータ８を通らないので、副冷却流路１１における冷却水温度が上昇する。その結果、減圧弁４を暖めて寿命を維持し、また水素ガスの温度低下を抑制する。さらに、水素ガスはコンプレッサ７内を流通する際に受熱するので、水素ガス温度が上昇する。つまり、図９に示すように、冷却水の放熱を停止して減圧弁４で熱交換を行うことにより、減圧弁４および水素ガス温度を維持し、さらにコンプレッサ７に水素ガスを流通させることにより水素ガス温度を上昇させる。
【００３７】
次に、このような燃料供給を行うための制御方法を図１０のフローチャートを用いて説明する。本フローは、燃料電池ユニット１の起動の信号を検知したら開始する。
【００３８】
ステップＳ１０１において、外気温度センサ２１を用いて外気温度Ｔａを検出する。次にステップＳ１０２において、減圧弁４の暖機を行うかどうかを判断する。ここでは外気温度Ｔａと所定温度Ｔ０とを比較する。Ｔａ＞Ｔ０の場合には、減圧弁４が過度に低下することはないと判断してステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０３では流路切換弁１０を主冷却流路９側に開く。これにより、水素ガスはコンプレッサ７のみで暖められる。
【００３９】
一方、ステップＳ１０２において、Ｔａ≦Ｔ０の場合には、減圧弁４が過度に低下する可能性があると判断してステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、流路切換弁１０を副冷却流路１１側に開く。これにより、減圧弁４が冷却水により暖機されると共に、水素ガスが減圧弁４およびコンプレッサ７において暖められる。
【００４０】
ここで、本実施形態と従来技術との比較を行う。従来技術として図７に示すようなシステムを用いる。つまり、冷却流路として主冷却流路９を備え、また、減圧弁４を介して供給される水素ガスは、コンプレッサ７を通らずに燃料電池ユニット１に供給される。このように構成した場合には、極低温からの起動時には、減圧弁４の温度低下に伴って水素ガス温度が低下する。その結果、燃料電池ユニット１の起動時間の延長や、装置の寿命短縮の原因となった。これに対して、本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、通常運転時にはコンプレッサ７で水素ガスが受熱するので、減圧弁４の温度が低下しても水素ガスの温度が維持される。また、図９（ｂ）に示すように、極低温起動時には、通常時と同様にコンプレッサ７で水素ガスの受熱を行うと共に、高温となった冷却水が減圧弁４を経由することで、減圧弁４の温度低下を抑える。
【００４１】
次に、本実施形態の効果を説明する。
【００４２】
燃料電池ユニット１に空気を供給するコンプレッサ７と、燃料電池ユニット１に減圧弁４を介して減圧した水素ガスを供給する高圧燃料容器２を備える。また、燃料電池ユニット１と高圧燃料容器２を接続し、且つ、コンプレッサ７で受熱するようにコンプレッサ７を経由する燃料ガス流路（高圧配管３、低圧配管５）と、コンプレッサ７を冷却する冷却水の放熱を行うラジエータ８を備える。また、コンプレッサ７とラジエータ８との間で冷却水を循環させる主冷却流路９と、減圧弁４とコンプレッサ７との間で熱の授受を行うように冷却水を循環させる副冷却流路１１と、コンプレッサ７で受熱した冷却水の主冷却流路９と副冷却流路１１への循環を選択的に切り換える流路切換手段１０を備える。さらに、減圧弁４の暖機の必要性を判断する暖気判断手段（Ｓ１０２）と、暖機の必要が判断されたときには副冷却流路１１に冷却水を循環させるように流路切換手段１０を切り換える制御手段（Ｓ１０４）と、を備える。
【００４３】
これにより、水素ガスがコンプレッサ７において受熱するので、水素ガスを保温・暖気して温度維持することができる。また、コンプレッサ７の冷却により高温となった冷却水を用いて減圧弁４を暖機するので、減圧弁４の温度を過度に低下させることなく部品寿命を維持することができる。また、減圧弁４の温度低下を抑制することで、流通する水素ガスの温度低下を抑制することができる。
【００４４】
特に起動時に、コンプレッサ７で生じた熱を水素ガスの保温および暖気に用いることで、燃料電池や駆動モータ等からの熱を期待できない起動時にも水素ガス温度を維持して起動時間の短縮することができる。また、減圧弁４の温度低下を抑制して部品寿命を維持することができる。また、減圧弁４に高温の冷却水を流通させているが、減圧弁４が低温に対して耐久性がある場合には、この限りではなく、高温冷却水と低温水素ガスとの間で熱交換を行うように構成すればよい。
【００４５】
ここでは、コンプレッサ７を経由する際に、水素ガスがモータ燃料ガス流路２９の近傍を流通するように燃料ガス流路を構成する。これにより、高温の冷却水と低温の水素ガスとの間で熱交換を行うことができる。
【００４６】
また、雰囲気温度（外気温度Ｔａ）を検出する外気温度センサ２１を備え、外気温度センサ２１により検出した外気温度Ｔａが所定温度Ｔ０以下となった場合に、暖機判断手段において暖機が必要だと判断する。これにより、水素ガス温度の維持および減圧弁４の温度維持を行うことができる。特に起動時に、外気温度Ｔａを所定温度とすることで、燃料電池ユニット１の解凍プロセス中に減圧弁４が過度に低下する可能性があるかどうかを判断することができる。
【００４７】
なお、通常運転では減圧弁４温度の過度の低下は生じないとして、燃料電池ユニット１において解凍プロセスが必要な起動時のみについて説明しているが、通常運転時にも減圧弁４温度の過度の低下が生じる場合には、スタック等で生じる熱を用いて暖機することができる。または、減圧弁４または燃料電池ユニット１に供給される水素ガスの温度を検出する温度センサを備え、発電効率が低下する水素ガスの温度範囲や、減圧弁４の品質に影響を受ける温度範囲を予め実験等により設定しておく。前記温度センサが温度範囲を検出した際に、冷却系２０を副冷却流路１１に切り換えることで、通常運転時に発電効率の低下が生じたり、減圧弁４が劣化したりするのを抑制することができる。
【００４８】
次に、第２の実施形態に用いる燃料電池システムを図１１を用いて説明する。また、燃料電池ユニット１に供給される水素ガス温度および減圧弁４の温度変化を図１２に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００４９】
ここでは、コンプレッサ７と減圧弁４との間の距離を極力短くする。これにより、副冷却流路１１の熱容量が小さくなるので、減圧弁４の温度上昇の時間を短縮することが可能となる。また、低圧配管５のうち水素ガスが比較的低温となる部分、つまり減圧弁４とコンプレッサ７とを連通する部分の距離が小さくなるので、水素ガスの温度を短時間で上昇させることができる。つまり、図１２に示すように、副冷却流路１１の熱容量が小さくなったので、冷却水で保温または暖機する減圧弁４の温度を短時間で上昇することができる。また、水素ガス温度は、低圧流路５の低温部分が低減するので温度上昇が早くなる。
【００５０】
本実施形態は、第１の実施形態に加えて次のような効果を得ることができる。
【００５１】
コンプレッサ７と減圧弁４とを近傍に配置することにより、副冷却流路１１の経路容積を小さくする。これにより、極低温時に副冷却流路１１内の熱交換を容易にする。また、減圧してから暖められるまでの水素ガスの経路を短くすることで、コンプレッサ７内部の冷却水と水素ガスの熱交換を容易にする。さらに、減圧弁４とコンプレッサ７間の距離を短くすることで、コンプレッサ７からの発熱に対して短時間で冷却水の温度を上げることができる。さらに、水素ガス温度に関しても温度低下を低減することができる。
【００５２】
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態の燃料電池システムの構成を図１３に示す。
【００５３】
水素ガス温度は長時間放置することにより外気温とほぼ同じになる。しかしながら、充填直後の高圧燃料容器２が暖まっている場合などには、図１４に示すように水素ガス温度の初期値は必ずしも外気温度により決定しない。そこで、高圧燃料容器２内部に高圧燃料温度センサ３５を備え、高圧燃料容器２内の高圧水素ガスの温度Ｔｔに応じて冷却系２０を切り換える。ここでは、冷却系２０内の主冷却流路９と副冷却流路１１との連通を切り換える流路切換弁１０への動作指令を、高圧燃料温度センサ３５の出力に応じて行う。
【００５４】
これにより、解凍開始時の外気温度Ｔａによらず、使用している水素ガス温度Ｔｔによって冷却水の循環路を設定できるため、温度環境が急変した場合にもリアルタイムで適切な修正を行うことが可能となる。
【００５５】
本実施形態のフローチャートを図１５に示す。本フローを、燃料電池ユニット１の解凍プロセスの間、繰り返し行う。
【００５６】
ステップＳ１４１において、高圧燃料温度センサ３５の出力から高圧燃料容器２内の水素ガス温度Ｔｔを検出する。ステップＳ１４２において、冷却水を用いた暖機が必要かどうかを判断する。ここでは水素ガス温度Ｔｔが所定温度Ｔ０以下かどうかを判断する。Ｔ０より高い場合には常温と判断して、ステップＳ１４３において流路切換弁１０を主冷却流路９側に開とする。これにより、コンプレッサ７において水素ガスを温度保持・暖気する。
【００５７】
一方、水素ガス温度Ｔｔが所定温度Ｔ０以下であると判断されたら極低温状態と判断して、ステップＳ１４４に進み、流路切換弁１０を副冷却流路１１側に開とする。これにより、コンプレッサ７において水素ガスを暖めるとともに、減圧弁４を高温の冷却水を用いて暖機する。
【００５８】
ステップＳ１４５において、再び水素ガス温度Ｔｔを取得したらステップＳ１４２に戻り、高圧燃料容器２から供給される水素ガスが常温であるか極低温であるかを判断して冷却系２０の循環路を決定する。
【００５９】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態の効果と異なる効果のみを説明する。
【００６０】
高圧燃料容器２内部の温度を検出する高圧燃料温度センサ３５を備え、高圧燃料温度センサ３５により検出した温度が所定温度Ｔ０以下となった場合に、暖機判断手段（Ｓ１４２）において暖機が必要だと判断する。これにより、極低温起動時において高圧燃料温度Ｔｔが低い場合にのみ副冷却流路１１が連通し、充填直後の起動シーンなどで起こる、外気温度Ｔａが低くても高圧燃料温度Ｔｔが高い場合に暖機を行わないことができ、不要な暖機による燃費悪化を抑制することが可能となる。
【００６１】
次に、第４の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池車の概略を図１６に示す。
【００６２】
ここでは、コンプレッサ７の替わりに駆動モータ４０に備えた冷却系２０を用いて減圧弁４の暖機を行う。また、低圧配管５の一部を駆動モータ４０の内部に構成する。なお、冷却系２０および燃料系６の構成はコンプレッサ７の替わりに駆動モータ４０を用いるほか、第１の実施形態と同様とする。
【００６３】
駆動モータ４０には、燃料電池ユニット１で生じた電力を用いて駆動される。駆動モータ４０の出力はファイナルギア４１を介してタイヤ４２に伝達されて車輌が走行する。
【００６４】
図５の極低温時における車輌の運転パターンで示したように、極低温からの起動時において、燃料電池車は走行を行わない。図５においては、駆動モータ４０は解凍プロセス中には運転しないが、本実施形態では、電流は流すが出力を取り出さない指令を行う。これにより、駆動モータ４０で発熱が促進される。そこで、第１〜３の実施形態のコンプレッサ７における水素ガスの受熱の換わりに、本実施形態では駆動モータ４０における水素ガスの受熱を行う。つまり、駆動モータ４０に流れる冷却水を減圧弁４に選択的に循環させることが可能であるとともに、水素ガスを駆動モータ４０の発熱部付近に流通させる。
【００６５】
例えば、１５ｋＷの出力コンプレッサ７の効率が９０％としても、熱としては１．５ｋＷ程度しか利用できないが、８０ｋＷ級の駆動モータ４０を数ｋＷ程度出力を取り出さずに電流を流すと、これ以上の熱の熱源として利用することができる。
【００６６】
次に、本実施形態の効果を説明する。ここでは、第１の実施形態に加えて次のような効果を得ることができる。
【００６７】
燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池ユニット１と、燃料電池ユニット１に減圧弁４を介して減圧した水素ガスを供給する高圧燃料容器２と、燃料電池ユニット１で生じた電力を用いて車輌を駆動させる駆動モータ４０を備える。また、燃料電池ユニット１と高圧燃料容器２を接続し、且つ、駆動モータ４０で受熱するように駆動モータ４０を経由する燃料ガス流路（高圧配管３、低圧配管５）と、駆動モータ４０を冷却する冷媒の放熱を行うラジエータ８を備える。また、駆動モータ４０とラジエータ８との間で冷却水を循環させる主冷却流路９と、減圧弁４と駆動モータ４０との間で熱の授受を行うように冷却水を循環させる副冷却流路１１と、駆動モータ４０で受熱した冷却水の主冷却流路９と副冷却流路１１への循環を選択的に切り換える流路切換弁１０を備える。さらに、減圧弁４の暖機の必要性を判断する暖機判断手段（Ｓ１４２）と、起動時に、暖機の必要が判断されたときには、駆動モータ４０を負荷がゼロの状態で運転するとともに、副冷却流路１１に冷却水を循環させるように流路切換弁１０を切り換える制御手段（Ｓ１４４）を備える。
【００６８】
このように駆動モータ４０に対して電流は流すが出力を取り出さない指令を行うことで、熱容量の大きな駆動モータ４０からの発熱を促進させ、入力値がほぼそのまま発熱となる本駆動モータ４０からの発熱を積極的に利用することが可能となる。
【００６９】
なお、上記実施形態では、高圧燃料容器２を一本のみ車載している場合を説明しているが、適応される車輌の容積、レイアウト等により変更することができる。同様に、コンプレッサ７内部や、減圧弁４内部における冷却流路および燃料ガス流路の構成も一例である、熱交換を十分に行える構成であればよい。さらに、所定温度Ｔ０による冷却系２０の循環路の切り換えも、その温度は容器の構成、最大貯蔵圧力等により変化する。ここでは、所定温度Ｔ０＝Ｔｉｎｆ−１０［℃］としているがこの限りではなく、実験等により求めても良い。
【００７０】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の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】第１の実施形態に用いる燃料供給装置の構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる減圧弁の構成図である。
【図３】第１の実施形態に用いるコンプレッサのモータ部の構造図である。
【図４】第１の実施形態に用いるコンプレッサの機械式冷却水ポンプ部の構造図である。
【図５】第１の実施形態における低温時の車輌の運転パターンを示す図である。
【図６】第１の実施形態における車輌全開出力における燃料ガス温度の低下を示す図である。
【図７】従来の燃料供給装置の構成図である。
【図８】第１の実施形態における主冷却流路連通状態を示す図である。
【図９】第２の実施形態における副冷却流路連通状態を示す図である。
【図１０】第１の実施形態におけるフロ−チャートである。
【図１１】第２の実施形態に用いる燃料供給装置の構成図である。
【図１２】第２の実施形態に用いる減圧弁と水素ガスの温度変化を示す図である。
【図１３】第３の実施形態に用いる燃料供給装置の構成図である。
【図１４】第３の実施形態に用いる減圧弁と水素ガスの温度変化を示す図である。
【図１５】第３の実施形態におけるフローチャートである。
【図１６】第４の実施形態に用いる燃料電池車の概略図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池ユニット
２ 高圧燃料容器
３ 高圧配管（燃料ガス流路）
４ 減圧弁（減圧手段）
５ 低圧配管（燃料ガス流路）
７ コンプレッサ
８ ラジエータ
９ 主冷却流路（主冷却回路）
１０ 流路切換弁（回路切換手段）
１１ 副冷却流路（副冷却回路）
２１ 外気温度センサ（雰囲気温度検出手段）
３５ 高圧燃料温度センサ（高圧燃料温度検出手段）
４０ 駆動モータ
Ｓ１０２、１４２ 暖気判断手段
Ｓ１０４、１４４ 制御手段
Claims (6)
- 燃料電池ユニットに減圧手段を介して減圧した燃料ガスを供給する高圧燃料容器と、
前記燃料電池ユニットに酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、
前記燃料電池ユニットと高圧燃料容器を接続し、且つ、前記コンプレッサで受熱するように前記コンプレッサを経由する燃料ガス流路と、
前記コンプレッサを冷却する冷媒の放熱を行う熱交換手段と、
前記コンプレッサと前記熱交換手段との間で冷媒を循環させる主冷却回路と、前記減圧手段と前記コンプレッサとの間で熱の授受を行うように冷媒を循環させる副冷却回路と、
前記コンプレッサで受熱した冷媒の前記主冷却回路と前記副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、
前記減圧手段の暖機の必要性を判断する暖気判断手段と、
前記暖機の必要が判断されたときには前記副冷却回路に冷媒を循環させるように前記回路切換手段を切り換える制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記コンプレッサを経由する際に、燃料ガスが冷媒流路の近傍を流通するように前記燃料ガス流路を構成する請求項１に記載の燃料電池システム。
- 雰囲気温度を検出する雰囲気温度検出手段を備え、
前記雰囲気温度検出手段により検出した温度が所定温度以下となった場合に、前記暖機判断手段において暖機が必要だと判断する請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記高圧燃料容器内部の温度を検出する高圧燃料温度検出手段を備え、
前記高圧燃料温度検出手段により検出した温度が所定温度以下となった場合に、前記暖機判断手段において暖機が必要だと判断する請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記コンプレッサと前記減圧手段とを近傍に配置することにより、前記副冷却流路の経路容積を小さくする請求項１に記載の燃料供給手段。
- 燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池ユニットと、
前記燃料電池ユニットに減圧手段を介して減圧した燃料ガスを供給する高圧燃料容器と、
前記燃料電池ユニットで生じた電力を用いて車輌を駆動させる駆動モータと、前記燃料電池ユニットと前記高圧燃料容器を接続し、且つ、前記駆動モータで受熱するように前記駆動モータを経由する燃料ガス流路と、
前記駆動モータを冷却する冷媒の放熱を行う熱交換手段と、
前記駆動モータと前記熱交換手段との間で冷媒を循環させる主冷却回路と、
前記減圧手段と前記駆動モータとの間で熱の授受を行うように冷媒を循環させる副冷却回路と、
前記駆動モータで受熱した冷媒の主冷却回路と副冷却回路への循環を選択的に切り換える回路切換手段と、
前記減圧手段の暖機の必要性を判断する暖機判断手段と、
起動時に、前記暖機の必要が判断されたときには、前記駆動モータを負荷がゼロの状態で運転するとともに、前記副冷却回路に冷媒を循環させるように前記回路切換手段を切り換える制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池車。
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