JP2004206928A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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し、特に、燃料電池システムに使用する純水の補給インターバルを長くすることを可能とする燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料の有する化学エネルギを、機械エネルギや熱エネルギを経由することなく直接電気エネルギに変換する装置であり、高いエネルギ効率が実現可能である。よく知られた燃料電池の形態としては、電解質層を挟んで一対の電極を配置し、一方の電極(陽極側)に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に他方の電極(陰極側)に酸素を含有する酸化ガスを供給するものであり、両電極で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る。例えば、特開平10−297903号公報には、車載に好適な燃料電池システムの構成例が記載されている。車載の燃料電池システムでは、直接水素をタンク等に貯蔵して使用する場合の他、同公報に示されているように、改質器を使用してメタノール等の液体の炭化水素系原燃料から水素リッチな改質ガスを生成し、これを燃料電池の燃料として供給する構成も提案されている。
【0003】
上述のように、車載の燃料電池システムの改質器は水素を生成する小形の化学プラントであり、車両のアクセルの動きに対して時間的遅れを伴って生成水素が増減する。このため、アクセルの踏み込みを戻した場合(アクセルオフ)や、いわゆるエンジンブレーキに相当する車両駆動モータの回生制動状態では、負荷モータが発電機となっているので余剰の水素や余剰の電力が生じ得る。通常、余剰の水素は改質器の熱源の燃料に、余剰電力は二次電池の充電に使用されてエネルギ利用の向上が図られる。
【0004】
また、車載の燃料電池システムでは、改質器で炭化水素系原燃料を水蒸気改質によって水素リッチガスを生成する。燃料電池に供給される反応ガス類も加湿している。このため、燃料タンクの他に水タンクを設け、水を貯留して使用している。
【0005】
なお、余剰電力の利用例として、特開平4−115470号公報には、一定出力で運転することが望ましい原子力発電プラントの余剰時の電力で水蒸気を電気分解して水素を製造し、この水素を貯蔵しておき、電力不足のときに燃料電池に貯蔵した水素を供給して発電を行うようにする提案がなされている。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−297903号公報
【0007】
【特許文献2】
特開平4−115470号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池車両の運転はモータの起動、停止、加速、減速、等を頻繁に繰り返すので、上述した余剰水素の発生や余剰電力の発生も突発的なものが多い。二次電池への充電は化学反応を伴うためある程度の時間電力供給を継続する必要があるり、余剰電力を十分に回収できない。また、二次電池が十分に充電されている状態では、余剰電力は蓄電されずロスとなる。
【0009】
また、燃料電池車両の走行距離は搭載する原燃料と水の量によって決定されるが、これらの補給基地は未だ十分に整備されておらず、途中で水が不足することが考えられる。燃料電池では水素ガスと酸化エアが反応して水が生成されるのでこの水を回収して利用することや燃料電池システムの冷却水の利用が考えられるが、燃料電池から排出される水には電解質膜の溶出や分解によってフッ酸や硫酸などの多くの不純物を含むのでこれをこのまま使用すると燃料電池のセルにダメージを与えることも考えられる。
【0010】
よって、本発明は燃料電池システムにおける余剰電力の新たな利用方法を提供することを目的とする。
【0011】
また、本発明は燃料電池システムにおける水不足を可及的に回避することを可能とした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0012】
また、本発明は余剰電力で水を得るようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムは、空気中の水分を凝縮して水を生成する水分凝縮手段と、生成した水を濾過する濾過手段と、濾過された水を使用する燃料電池と、を備える。
【0014】
かかる構成とすることによって燃料電池の運転に必要な水を大気中から補給することが可能となる。
【0015】
また、この水補給は上記燃料電池の余剰電力によって上記水分凝縮手段を動作させる制御手段によって行われる。それにより、余剰電力が活用される共に水補給のインターバルを可及的に長くすることが可能となる。これは車載燃料電池システムに好都合である。
【0016】
また、上記燃料電池は上記濾過された水を燃料電池セルの電解質膜の加湿に使用する。それにより、燃料電池から排出される水の再利用水に比べてフッ酸や硫酸などの不純物の少ない水を供給することが出来、燃料電池セルへのダメージが少なくなって好ましい。
【0017】
また、本発明の燃料電池システムは、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、集めた水を濾過する濾過手段と、濾過した水を上記改質器の改質水又は上記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、上記燃料電池の発生電力の少なくとも一部を上記水分凝縮手段に供給して上記凝縮水を収集させる制御部と、を備える。
【0018】
かかる構成することによって、空気中の水分を集めて改質水や加湿水などを補給することを可能とした燃料電池システムを構成することが可能となる。
【0019】
また本発明の燃料電池システムは、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、集めた水を濾過する濾過手段と、濾過した水を上記改質器の改質水又は上記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、上記燃料電池の出力を負荷と上記水分凝縮器に分配可能な出力分配手段と、上記燃料電池の発生電力が上記負荷の消費電力を越えるときに上記出力分配手段を作動させて余剰電力を上記水分凝縮手段に供給させる制御部と、を備える。
【0020】
かかる構成とすることにより、余剰電力によって空気中の水分を集めて改質水や加湿水などを補給することを可能とした燃料電池システムを構成することが可能となる。
【0021】
また、本発明の燃料電池システムは、原燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、上記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、集めた水を濾過する濾過手段と、濾過した水を上記改質器の改質水又は上記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、電気を一時的に蓄える電力貯蔵手段と、上記燃料電池の出力を負荷、上記水分凝縮器及び上記電力貯蔵手段に分配可能な出力分配手段と、上記燃料電池の発生電力が上前記負荷の消費電力を越えるときに上記出力分配手段を作動させて余剰電力を上記水分凝縮手段及び上記電力貯蔵手段の少なくともいずれかに供給させる制御部と、を備える。
【0022】
かかる構成とすることにより、余剰電力によって空気中の水分を集めて改質水や加湿水などの補給を行ったり、余剰電力を蓄電手段(例えば、二次電池やキャパシタ)に蓄電することが可能となる。また、余剰電力が多い場合には両方(水補給、蓄電)を行い、余剰電力が少ない場合にはいずれか一方(水補給又は蓄電)を行い、また、蓄電手段に十分充電されている場合には水分収集を行うなどの適宜な対応を行うことも可能となる。それにより、より有効な余剰電力の活用がなされ得る。
【0023】
好ましくは、更に、上記濾過した水を一次貯留するタンクを備え、上記濾過水供給手段は、このタンクから濾過した水を供給する。それにより、収集水を貯留して使用することが可能となる。
【0024】
好ましくは、上記水分凝縮手段は、上記空気を急冷することによって空気中の水蒸気を凝固する。例えば、除湿器と同様の構成の熱交換構成によって空気を冷やすことによって水蒸気を凝固させる。また、ペルチェ素子などの熱交換素子によって冷却面を得て、これにより空気中の水蒸気を凝固させ水滴を集めて水を得る。なお、車両の客室内のエアコンディショニングシステムと連携させることが可能である。
【0025】
好ましくは、上記濾過手段は、集めた水を濾過するイオン交換樹脂を含む。それにより、純水を得ることが可能となる。
【0026】
また、本発明の燃料電池システムは、負荷に電力を供給する燃料電池と、外部環境から水を集める水収集手段と、集めた水から純水を生成する純水生成手段と、上記燃料電池の余剰電力で前記水収集手段を動作させる制御手段と、を備える。
【0027】
かかる構成とすることによって、燃料電池システムが設けられた周囲あるいは近くの環境中から運転に必要な純水を補充することが可能となる。
【0028】
好ましくは、上記水収集手段は、空気中の水分を凝縮して水を収集する凝縮器、雨水を収集する雨水タンク、エアコンディショナの凝縮水を収集する凝縮水タンクの少なくともいずれかを含む。それにより、大気中の水分を回収することが可能となる。
【0029】
好ましくは、上記純水生成手段は収集した水をイオン交換樹脂によって濾過する。イオン交換樹脂を用いることによって収集水中に含まれる不純物を除去することが可能となる。
【0030】
また、本発明の燃料電池車両は上述した燃料電池システムを搭載する。それにより、エネルギ効率の良い、また、水補給インターバルを可及的にのばすことのできる車両が得られて具合がよい。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0032】
本発明の燃料電池システムの実施の形態では、燃料電池の運転中に生じる余剰電力によって凝縮器を動作させ、空気(大気)中の水蒸気を凝縮させ、水滴として集める。集めた水はイオン交換樹脂などの濾過膜によって不純物が取り除かれる。この凝縮水(純水)を貯留して燃料電池の反応ガス(改質ガス、酸化エア)の加湿水や改質器の水蒸気改質の改質水として利用する。凝縮水は、例えば、いわゆる圧縮冷凍サイクル(Vapor compression refrigerating cycle) を使用した冷却機やペルチェ効果(Peltier effect) を利用した電子冷却装置よって空気中の水蒸気を凝縮することによって得ることが可能である。このような機構を車載すれば、純水補給のインターバルをのばすことが可能となり、具合が良い。
【0033】
図1は、本実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車(FCEV)の主要ブロック図である。同図に示すように、燃料電池自動車10は、車載発電機として機能する燃料電池システム10と、電力配分・電力変換制御を行うパワーコントロールユニット20と、車輪41〜44の駆動力を発生するモータ31と、燃料電池10の補助電力源として機能する二次電池32と、空気中の水蒸気を凝固させる凝縮器33と、ワイパー等の車両の運転のための補機類34と、後述のエアポンプモータ、燃料ポンプモータ、水ポンプ、バルブ等の燃料電池10の運転に使用される補機類35等を備えている。図示の例では、燃料電池自動車1は前輪41及び42を駆動する前輪駆動方式を採用しており、車両後部には被駆動輪43,44が配置されている。
【0034】
燃料電池システム10は、メタノールや天然ガスなどの炭化水素系の原燃料を貯蔵する原燃料タンク11と、水を貯蔵する水タンク12と、タンク11及び12から供給された原燃料と水の混合溶液を改質して水素リッチな燃料ガス(改質ガス)を生成する改質器13と、改質器13から供給された燃料ガスが有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池14と、エアフィルタ16で濾過した空気を酸化エアとして燃料電池14に供給するポンプ17と、この酸化エアを加湿する加湿器18と、燃料電池システム10全体を制御する制御部15等を備えて構成されている。
【0035】
図2は、改質器13の構成例を示している。改質器は、概略、蒸発部13a、改質部13b、CO低減部13cによって構成されている。蒸発部13aは、燃料と燃焼エアとが供給されて高温の燃焼ガスを得るバーナや、燃料と燃焼エアとを反応させて発熱させる触媒(図示せず)などによって熱源を得て、原燃料と水(改質水)とを高温ガスにする。原燃料は後述の燃料ポンプモータ355によって駆動される図示しない燃料ポンプによって原燃料タンク11から供給される。改質水は後述の水ポンプモータ357によって駆動される図示しないポンプによって水タンク12から供給される。改質部13bはこの高温の混合ガスを触媒によって水蒸気改質して水素を生成する。更に、改質用エアの供給を受けて部分酸化法によって混合ガスから水素を生成する。改質部13bによって水素リッチな改質ガスが得られるが、このガスには燃料電池14の白金触媒の機能を低下させる一酸化炭素が微量含まれる。これをCO低減部13cで選択酸化法によって精製用エアと反応させて低減する。上述した、燃焼エア、改質用エア、精製用エアは後述のエアポンプモータ353によって駆動される図示しないエアポンプから流量調整弁131〜133を介してそれぞれ供給される。燃料の供給量や各エアの供給量は制御部15によって要求電力量に応じて設定される。
【0036】
燃料電池14の水素極には改質器13から改質ガスが供給され、酸素極には酸化エアがエアクリーナ16及びエアポンプ17を介して供給される。燃料電池14は固体高分子電解質型の燃料電池であり、単セルを複数積層したスタック構造を備えている。各セルの固体高分子電解質膜のイオン透過性を確保するために電解質膜を加湿すべく、改質ガス及び酸化エアの加湿が行われる。この実施例では、酸化エアの供給量が多いために乾きやすいことから酸化エアを加湿器18で加湿する構成を図示している。図示しないが改質ガス側も適宜に加湿される。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
【0037】
燃料電池システム10の制御部15は後述するパワーコントロールユニット20のシステムコントローラ21と通信を行うことで、燃料電池システム10に配設されているエアポンプ353、ウォータポンプ357などの補機類35(後述の図3参照)の駆動制御を行い、燃料電池14の発電量がシステムコントローラ21の要求電力を満たすように燃料電池システム10を制御する。
【0038】
パワーコントロールユニット20は車両搭載機器への電力配分・電力変換等の役割を担っており、システムコントローラ21、電力分配部22、アクセル23を含んでいる。システムコントローラ21はアクセル23の開度、車速、シフトポジション、ブレーキ踏み込み量などから走行負荷を検出してモータ31への供給電力量を演算し、インバータ(駆動部)の制御を行う。また、必要な電力量の供給を制御部15に要求する。また、運転状況に応じて各種機器への電力供給や余剰電力の効率的な利用を行うべく各部や機器を制御する。電力分配部22は、システムコントローラ21の指示に応じて燃料電池14の出力電力を車両駆動モータ31、二次電池32、補機類33及び35等に分配する。また、燃料電池14の出力電力が不足したときに二次電池32の出力をモータ31に供給する。また、モータ31の回生制動によって生じたエネルギを二次電池32に蓄える。
【0039】
図3は、電力分配部22の構成例と燃料電池10の補機類33の構成例を示している。電力分配部22は、例えば、インバータ22a、DC−DC変換器22b、インバータ22c、DC−DC変換器22d等によって構成される。
【0040】
インバータ22aはパワースイッチ素子を主要回路素子として構成され、燃料電池14から供給される直流電流を、例えば、三相交流電流に変換し、三相同期電動機構成の車両モータ31を駆動する。三相交流の周波数を制御することによってモータ回転数(車速)を制御する。また、減速時などにおいてモータ31が発電機として機能する場合には回生制御によってモータ31に生じる出力電流を二次電池32側に供給する。インバータ22aの動作はシステムコントローラ21によって制御される。
【0041】
DC−DC変換器22bは燃料電池14の出力電圧や、モータ31の回生出力を整流して二次電池32の充電電圧に合わせて充電を行う。また、二次電池32の出力電圧を所望に昇圧することによってインバータ22aに電力の供給を行う。DC−DC変換器22bの動作はシステムコントローラ21によって個別的に制御される。
【0042】
二次電池32は燃料電池システム14の起動用電源、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池自動車1の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などが好適である。二次電池32の容量は、燃料電池自動車1の走行条件、走行性能(最高速度、走行距離など)、車重などに応じて適宜設定可能である。
【0043】
なお、二次電池に代えて充電時間が早く軽量なキャパシタを使用することも可能である。また、いわゆる浮動充電法によって充電することとしても良い。
【0044】
インバータ22cは、システムコントローラ21の指令に応じて凝縮器33を動作させる。凝縮器33は空気中の水分(水蒸気)を凝固して液化しこれをタンクに集める。
【0045】
図4は、水収集手段としての凝縮器33の例を示している。この例は、いわゆる圧縮冷凍プロセスによって冷却した面に空気中の水蒸気を凝縮させる凝縮器を構成している。インバータ22cによって駆動されるモータ331は圧縮ポンプ332を駆動し、冷媒ガスを高圧に圧縮する。圧縮された高温冷媒は凝縮器333によって外部に放熱され、タンク334に蓄えられる。更に、ノズル(膨張弁)335を経て減圧された蒸発器336内に冷媒を蒸発させ、蒸発器336の熱を吸収して冷却し、この周囲の空気を冷やして蒸発器336の表面やその周囲に水分を凝固させる。冷媒はポンプ332に戻り、循環する。なお、必要により、凝縮器333及び蒸発器336にはファン337にて適度な送風が行われる。
【0046】
凝固した水分は、下方に集められてイオン交換樹脂膜338によって濾過される。これにより、凝固水は純水となって貯留タンク339に蓄えられる。貯留された水はバルブ340を介して既述の加湿器18に供給され、内部のフィルタを湿らす。それにより、ポンプ17から供給される酸化エアが加湿されて燃料電池に供給される。このようにして集められた水は、フッ酸や硫酸などの成分を含んでいないため、燃料電池セルの電解質膜を侵すおそれが少ない。
【0047】
なお、収集した水は改質ガスの加湿に使用しても良い。また、図1に点線で示すように水タンク12の補給水としても良い。凝縮器33から凝固水を所要部に供給する流路やバルブなどは濾過水供給手段に対応する。
【0048】
図5は、凝縮器の他の構成例を示している。この例では、インバータ22cに代えて直流電源(DC―DC変換器など)358を使用し、電子冷却によって凝縮器359を構成している。すなわち、ペルチェ効果を利用した熱交換パネル359aの吸熱面によって周囲の空気から熱を吸収して冷却し、その表面等に水分を凝縮させ、発熱面からファン359bによって外部に放熱している。凝固水は下方に集められイオン交換樹脂膜338によって濾過される。これにより、凝縮器359収集された凝固水は不純物が除かれて純水となって貯留タンク339に蓄えられる。この水は上記と同様に利用可能である。
【0049】
なお、凝縮器359は、図3に示すように、DC−DC変換器22dによって駆動される補機類35の一種として設けることも可能である。
【0050】
図6は、他の水収集手段の例を示している。この例では車両の屋根やボンネットなどに降った雨を樋や配管によって雨水回収タンク371に回収する。また、車両のエアコンによって室内の空気から除湿した水をエアコンの凝縮水タンク372に回収する。燃料電池14の余剰電力によってポンプ362、363を個別的にあるいは同時に駆動し、各タンクに回収された水をイオン交換樹脂膜338に導き、濾過する。これにより、雨水回収タンク371、エアコン凝縮水タンク372に回収された水は不純物が除かれて純水となって貯留タンク339に蓄えられる。この水は上記図4及び図5に示した凝縮器の例と同様に加湿水や改質水として利用可能である。
【0051】
図3に示すように、ポンプ362は駆動回路360及びポンプモータ361によって駆動される。ポンプ364は駆動回路362及びポンプモータ363によって駆動される。システムコントローラ21は、図示しないセンサによってタンク371又は372に回収水が蓄えられていることを検出すると、余剰電力によって駆動回路360及び362を制御し、タンク371及び372の回収水をイオン交換樹脂338で濾過して貯留タンク339に蓄える。燃料電池システムは水収集手段として上述した凝縮器、雨水回収タンク、エアコン凝縮水回収タンクなどを全部あるいは適宜に備え、水を周囲環境から回収して純水を補給する。
【0052】
DC−DC変換器22dは電圧を変換して、主に、燃料電池システム10の補機類35の電源を供給する。補機類には、上述した酸化エアを供給するエアポンプを駆動するモータ353、燃料ポンプを駆動するモータ355,ウォータポンプを駆動するモータ357、等が含まれる。これらのモータ353、355及び357は制御部15によって制御される駆動回路352〜356によってそれぞれ制御される。また、補機類35には緩衝などを目的として二次電池351を配置することも可能である。
【0053】
なお、車両の補機類34の電源供給についても補機類35と同様であるので、その説明は省略する。
【0054】
上述した構成により、システムコントローラ21は、車両走行負荷などを基にモータ31に供給されるべき電力を演算し、燃料電池システム10にて所望の発電量を得るための必要な指示を制御部15に与える。制御部15は、燃料電池14に供給されるべき改質ガスと酸化ガスの流量を適宜調整し、走行に必要な電力を得る。燃料電池システム10にて生成された電力はパワーコントロールユニット20を介してモータ31やその他の補機類などに供給される。
【0055】
ところで、燃料電池システムは化学プラントなので所要の電力供給を要求指令してからその電力が供給されるまである程度の時間の遅れが生じる。
【0056】
図7は、このような例を説明するグラフである。システムコントローラ21から制御部15に図7(a)に示すような、要求電力量が減少するような指令がなされた場合、制御部15は流量調整弁131〜133や原燃料及び水などのポンプ圧やモータを調整して改質器13への供給を減少して改質ガス(水素リッチガス)の生成量を図7(b)に示すように減少する。
【0057】
この場合、図7(c)に示すように、要求電力量に対する生成水素量の対応が遅れるので、余剰水素が生じる。この余剰水素は燃料電池14で余剰電力となる。本発明では、この余剰電力で凝縮器33を動作させ、加湿水を収集する。
【0058】
図8は、この場合のシステムコントローラ21の制御動作を説明するフローチャートである。
【0059】
システムコントローラ21は、図示しない主制御プログラム中で予め定められた一定のインターバルで発生する本ルーチンのイベント処理を実行することにより、本ルーチンに移行する。まず、システムコントローラ21は燃料電池システム10に対して要求すべき要求電力量を計算する(S12)。要求電力量は、運転者によるアクセルの踏み込み量(モータ31への要求駆動力)、動作している補機類34,35の使用電力、二次電池32の充電状態等によって決定される。
【0060】
次に、燃料電池14の出力可能な現在の電力量を計算する(S14)。出力可能電力量は改質器13から燃料電池への改質ガスの供給流量、酸化エアの供給流量、燃料電池セルの電圧状態などから計算することが出来る。
【0061】
システムコントローラ21は要求電力と現在の発電可能電力とを比較する(S16)。その結果、余剰電力が発生しているときは(S16;YES)、システムコントローラ21は電力分配部22のインバータ22cを作動させ、燃料電池14の出力を凝縮器33に供給する。それにより、既述したモータ351が動作して凝縮水の収集が行われる。また、電子冷却を採用している場合には凝縮器359を動作させる。雨水タンク371やエアコン凝縮水タンクに水を回収している場合には、イオン交換樹脂を介して純水タンク339に回収水を蓄える(S18)。ここで、二次電池32の端子電圧が低下している場合には、余剰電力で二次電池32を充電することとしても良い。また、燃料電池14の出力電力の余剰に加えてモータ31の回生動によって電力がモータ31からも供給されているような場合には、エネルギの回収を十分に図るべく、凝縮器33等の駆動と二次電池の充電とを同時に行うようにしても良い。その後、システムコントローラ21は主制御プログラムに戻り、同様の処理を繰り返す。
【0062】
また、余剰電力が発生していないときるときは(S16;YES)、要求電力を燃料電池14に発生させる。更に、燃料電池14の出力電力が不足する場合には、DC−DC変換器22bを作動させて二次電池32から一次側に電力を供給して不足分を補わせる(S20)。その後、システムコントローラ21は主制御プログラムに戻る。
【0063】
このようにして、余剰電力の発生を判別するとこれを利用して空気中から凝固水の生成が行われる。
【0064】
なお、空気中から集めた水は、燃料電池から排水された水に比べてフッ酸や硫酸を含んでいないため、反応ガス(改質ガス、酸化エア)の加湿水として使用して好都合であるが、これに限定されるものではなく、水タンクの補給水として使用することも出来る。また、凝縮器と車室のエアコンとを共用することにより、あるいは凝縮器を車室の除湿器として使用することによってエネルギ利用性をより高めることが可能となる。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、余剰電力を活用して水が生成されるので具合がよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の例を説明する説明図である。
【図2】図2は、燃料電池システムの改質器を説明する説明図である。
【図3】図3は、本発明の燃料電池システムの電力分配部の構成例を説明する説明図である。
【図4】図4は、本発明の燃料電池システムの凝縮部(水収集手段)の構成例を説明する説明図である。
【図5】図5は、本発明の燃料電池システムの凝縮部の他の構成例を説明する説明図である。
【図6】図6は、本発明の燃料電池システムの水収集手段の他の例を説明する説明図である。
【図7】図7は、燃料電池システムにおける余剰電力の発生を説明するグラフである。
【図8】図8は、本発明の燃料電池システムにおけるシステムコントローラの制御動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
1…燃料電池自動車、10…燃料電池システム、20…パワーコントロールユニット、31…駆動モータ、32…二次電池、33…凝縮器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a fuel cell system capable of extending a replenishment interval of pure water used in the fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electric energy without passing through mechanical energy or thermal energy, and can realize high energy efficiency. As a well-known form of a fuel cell, a pair of electrodes is arranged with an electrolyte layer interposed therebetween, and a fuel gas containing hydrogen is supplied to one electrode (anode side) and oxygen gas is supplied to the other electrode (a cathode side). Is supplied, and an electromotive force is obtained by utilizing an electrochemical reaction occurring at both electrodes. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 10-297903 describes a configuration example of a fuel cell system suitable for use in a vehicle. In the on-vehicle fuel cell system, in addition to directly storing and using hydrogen in a tank or the like, as described in the same gazette, a reformer is used to convert liquid hydrocarbon-based raw fuel such as methanol. A configuration has been proposed in which a hydrogen-rich reformed gas is generated and supplied as fuel for a fuel cell.
[0003]
As described above, the reformer of the on-vehicle fuel cell system is a small chemical plant that generates hydrogen, and the generated hydrogen increases and decreases with a time delay with respect to the movement of the accelerator of the vehicle. For this reason, when the accelerator pedal is released (accelerator off) or in a regenerative braking state of the vehicle drive motor corresponding to a so-called engine brake, since the load motor is a generator, excess hydrogen and excess power are generated. obtain. Normally, surplus hydrogen is used as fuel for the heat source of the reformer, and surplus power is used for charging the secondary battery, thereby improving energy utilization.
[0004]
In a fuel cell system mounted on a vehicle, a reformer is used to generate a hydrogen-rich gas by steam reforming of a hydrocarbon-based raw fuel. The reaction gases supplied to the fuel cell are also humidified. For this reason, a water tank is provided in addition to the fuel tank to store and use water.
[0005]
As an example of the use of surplus electric power, Japanese Patent Application Laid-Open No. HEI 4-115470 discloses that hydrogen is produced by electrolyzing water vapor with surplus electric power of a nuclear power plant, which is desirably operated at a constant output. A proposal has been made to store the battery and supply the hydrogen stored in the fuel cell when power is insufficient to generate power.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-10-297903
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-4-115470
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the operation of the fuel cell vehicle frequently repeats starting, stopping, accelerating, decelerating, and the like of the motor, the above-described generation of surplus hydrogen and generation of surplus power are often sudden. Since the charging of the secondary battery involves a chemical reaction, it is necessary to continue the power supply for a certain period of time, or the excess power cannot be sufficiently recovered. When the secondary battery is sufficiently charged, surplus power is not stored and is lost.
[0009]
Further, the mileage of the fuel cell vehicle is determined by the amounts of raw fuel and water to be mounted, but these replenishment bases are not yet fully maintained, and it is conceivable that water may run short on the way. In a fuel cell, hydrogen gas and oxidized air react to generate water.Therefore, it is conceivable to collect and use this water or use cooling water for a fuel cell system. Since many impurities such as hydrofluoric acid and sulfuric acid are contained due to elution and decomposition of the electrolyte membrane, if these are used as they are, they may damage the cells of the fuel cell.
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide a new method of using surplus power in a fuel cell system.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of avoiding water shortage in the fuel cell system as much as possible.
[0012]
Another object of the present invention is to provide a fuel cell system in which water is obtained with surplus power.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell system according to the present invention comprises a water condensing means for condensing water in the air to generate water, a filtering means for filtering the generated water, and a fuel using the filtered water. And a battery.
[0014]
With this configuration, it is possible to replenish water necessary for operating the fuel cell from the atmosphere.
[0015]
Further, this water replenishment is performed by control means for operating the water condensation means by the surplus electric power of the fuel cell. This makes it possible to use the surplus electric power and make the water supply interval as long as possible. This is advantageous for in-vehicle fuel cell systems.
[0016]
The fuel cell uses the filtered water for humidifying the electrolyte membrane of the fuel cell. Thereby, it is possible to supply water with less impurities such as hydrofluoric acid and sulfuric acid as compared with the reused water discharged from the fuel cell, which is preferable because damage to the fuel cell is reduced.
[0017]
Further, the fuel cell system of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from raw fuel, a fuel cell that generates electricity from the reformed gas and supplied air, A water condensing means for condensing and collecting water, a filtering means for filtering the collected water, and a filtered water for supplying the filtered water as reforming water of the reformer or humidifying water of an electrolyte membrane of a cell of the fuel cell. A supply unit, and a control unit that supplies at least a part of the power generated by the fuel cell to the water condensation unit and collects the condensed water.
[0018]
With this configuration, it is possible to configure a fuel cell system capable of collecting moisture in the air and supplying reformed water, humidified water, and the like.
[0019]
Further, the fuel cell system of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from a raw fuel, a fuel cell that generates electricity from the reformed gas and supplied air, and a device that condenses moisture in the air. A water condensing unit for collecting water, a filtering unit for filtering the collected water, and a filtered water supply for supplying the filtered water as reformed water of the reformer or humidified water of the electrolyte membrane of the cell of the fuel cell. Means for distributing the output of the fuel cell to the load and the moisture condenser; and activating the output distributing means when the power generated by the fuel cell exceeds the power consumption of the load to generate excess power. And a control unit for supplying the water to the water condensing means.
[0020]
With such a configuration, it is possible to configure a fuel cell system capable of collecting moisture in the air with surplus power and supplying reformed water, humidified water, and the like.
[0021]
Further, the fuel cell system of the present invention includes a reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from raw fuel, a fuel cell that generates electricity from the reformed gas and supplied air, A water condensing means for condensing and collecting water, a filtering means for filtering the collected water, and a filtered water for supplying the filtered water as reforming water of the reformer or humidifying water of an electrolyte membrane of a cell of the fuel cell. Supply means, power storage means for temporarily storing electricity, output distribution means capable of distributing the output of the fuel cell to a load, the moisture condenser and the power storage means, and the power generated by the fuel cell being increased. A control unit that activates the output distribution unit when the power consumption of the load is exceeded to supply surplus power to at least one of the water condensation unit and the power storage unit.
[0022]
With such a configuration, it is possible to collect moisture in the air with surplus power to supply reformed water, humidification water, or the like, or to store surplus power in a power storage unit (for example, a secondary battery or a capacitor). It becomes. When the surplus power is large, both (water replenishment and power storage) are performed. When the surplus power is low, one of the two is performed (water replenishment or power storage). When the power storage means is sufficiently charged, It is also possible to take appropriate measures such as collecting moisture. Thereby, more effective use of surplus power can be performed.
[0023]
Preferably, the apparatus further includes a tank for temporarily storing the filtered water, and the filtered water supply unit supplies the filtered water from the tank. This makes it possible to store and use the collected water.
[0024]
Preferably, the water condensing means solidifies water vapor in the air by rapidly cooling the air. For example, water vapor is coagulated by cooling air by a heat exchange configuration similar to that of a dehumidifier. Further, a cooling surface is obtained by a heat exchange element such as a Peltier element, whereby water vapor in the air is solidified and water droplets are collected to obtain water. In addition, it is possible to cooperate with the air conditioning system in the passenger compartment of the vehicle.
[0025]
Preferably, the filtering means includes an ion exchange resin that filters the collected water. Thereby, pure water can be obtained.
[0026]
Further, the fuel cell system of the present invention includes a fuel cell that supplies electric power to a load, a water collection unit that collects water from an external environment, a pure water generation unit that generates pure water from the collected water, Control means for operating the water collecting means with surplus power.
[0027]
With this configuration, pure water required for operation can be replenished from the surrounding or nearby environment where the fuel cell system is provided.
[0028]
Preferably, the water collecting means includes at least one of a condenser for condensing water in the air to collect water, a rainwater tank for collecting rainwater, and a condensed water tank for collecting condensed water of an air conditioner. Thereby, it becomes possible to collect moisture in the atmosphere.
[0029]
Preferably, the pure water generating means filters the collected water through an ion exchange resin. By using an ion exchange resin, it becomes possible to remove impurities contained in the collected water.
[0030]
Further, the fuel cell vehicle of the present invention is equipped with the above-described fuel cell system. As a result, a vehicle that is energy efficient and can extend the water replenishment interval as much as possible is obtained.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0032]
In the embodiment of the fuel cell system of the present invention, the condenser is operated by the surplus power generated during the operation of the fuel cell, and the water vapor in the air (atmosphere) is condensed and collected as water droplets. The collected water is subjected to removal of impurities by a filtration membrane such as an ion exchange resin. The condensed water (pure water) is stored and used as humidified water for a reaction gas (reformed gas, oxidized air) of a fuel cell or reformed water for steam reforming of a reformer. Condensed water can be obtained, for example, by condensing water vapor in the air with a cooler using a so-called Vapor compression refrigerating cycle or an electronic cooling device using the Peltier effect. . If such a mechanism is mounted on a vehicle, the interval of pure water replenishment can be extended, which is favorable.
[0033]
FIG. 1 is a main block diagram of a fuel cell vehicle (FCEV) equipped with the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, a
[0034]
The
[0035]
FIG. 2 shows a configuration example of the
[0036]
The reformed gas is supplied from the
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
FIG. 3 shows a configuration example of the
[0040]
The
[0041]
The DC-
[0042]
The
[0043]
It should be noted that a light-weight capacitor with a quick charging time can be used instead of the secondary battery. Further, the battery may be charged by a so-called floating charging method.
[0044]
The inverter 22c operates the
[0045]
FIG. 4 shows an example of the
[0046]
The coagulated water is collected below and filtered by the ion
[0047]
The collected water may be used for humidifying the reformed gas. Moreover, as shown by a dotted line in FIG. A flow path, a valve, and the like for supplying coagulated water from the
[0048]
FIG. 5 shows another configuration example of the condenser. In this example, a DC power supply (such as a DC-DC converter) 358 is used instead of the inverter 22c, and the
[0049]
As shown in FIG. 3, the
[0050]
FIG. 6 shows an example of another water collecting means. In this example, rain that has fallen on the roof or hood of the vehicle is collected in a
[0051]
As shown in FIG. 3, the
[0052]
The DC-
[0053]
The power supply of the
[0054]
With the above-described configuration, the
[0055]
By the way, since the fuel cell system is a chemical plant, there is a certain delay between the time when a required power supply is instructed and the power is supplied.
[0056]
FIG. 7 is a graph illustrating such an example. When a command is issued from the
[0057]
In this case, as shown in FIG. 7C, the response of the amount of generated hydrogen to the required amount of power is delayed, so that excess hydrogen is generated. This surplus hydrogen becomes surplus power in the
[0058]
FIG. 8 is a flowchart illustrating the control operation of the
[0059]
The
[0060]
Next, the current amount of power that can be output from the
[0061]
The
[0062]
When no surplus power is generated (S16; YES), the required power is generated in the
[0063]
In this way, when it is determined that the surplus power is generated, the surplus power is used to generate coagulated water from the air.
[0064]
Since water collected from the air does not contain hydrofluoric acid or sulfuric acid as compared with water drained from a fuel cell, it is convenient to use as humidifying water for reaction gas (reformed gas, oxidized air). However, the present invention is not limited to this, and can be used as makeup water for a water tank. In addition, it is possible to further increase the energy utilization by sharing the condenser with the air conditioner in the vehicle compartment or by using the condenser as a dehumidifier in the vehicle compartment.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel cell system of the present invention, water is generated by utilizing surplus power, which is favorable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a reformer of a fuel cell system.
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of a power distribution unit of the fuel cell system of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating a configuration example of a condensing section (water collecting means) of the fuel cell system of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating another configuration example of the condensing section of the fuel cell system of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating another example of the water collecting means of the fuel cell system of the present invention.
FIG. 7 is a graph illustrating generation of surplus power in the fuel cell system.
FIG. 8 is a flowchart illustrating a control operation of a system controller in the fuel cell system of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell vehicle, 10 ... Fuel cell system, 20 ... Power control unit, 31 ... Drive motor, 32 ... Secondary battery, 33 ... Condenser
Claims (13)
生成した水を濾過する濾過手段と、
濾過された水を使用する燃料電池と、
を備える燃料電池システム。Moisture condensing means for condensing moisture in the air to produce water,
Filtration means for filtering the generated water,
A fuel cell using filtered water;
A fuel cell system comprising:
前記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、
空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、
集めた水を濾過する濾過手段と、
濾過した水を前記改質器の改質水又は前記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、
前記燃料電池の発生電力の少なくとも一部を前記水分凝縮手段に供給して前記凝縮水を収集させる制御部と、
を備える燃料電池システム。A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from raw fuel,
A fuel cell that generates electricity from the reformed gas and supplied air;
A water condensing means for condensing water in the air to collect water,
Filtration means for filtering the collected water,
Filtered water supply means for supplying filtered water as reforming water of the reformer or humidifying water of an electrolyte membrane of a cell of the fuel cell,
A control unit that supplies at least a part of the power generated by the fuel cell to the water condensation unit and collects the condensed water,
A fuel cell system comprising:
前記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と
空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、
集めた水を濾過する濾過手段と、
濾過した水を前記改質器の改質水又は前記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、
前記燃料電池の出力を負荷と前記水分凝縮器に分配可能な出力分配手段と、
前記燃料電池の発生電力が前記負荷の消費電力を越えるときに前記出力分配手段を作動させて余剰電力を前記水分凝縮手段に供給させる制御部と、
を備える燃料電池システム。A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from raw fuel,
A fuel cell that generates electricity from the reformed gas and supplied air and a water condensing unit that condenses water in the air to collect water,
Filtration means for filtering the collected water,
Filtered water supply means for supplying filtered water as reforming water of the reformer or humidifying water of an electrolyte membrane of a cell of the fuel cell,
Output distribution means for distributing the output of the fuel cell to a load and the moisture condenser;
A control unit that activates the output distribution unit when the generated power of the fuel cell exceeds the power consumption of the load to supply surplus power to the moisture condensing unit;
A fuel cell system comprising:
前記改質ガスと供給される空気から電気を発生する燃料電池と、
空気中の水分を凝縮して水を集める水分凝縮手段と、
集めた水を濾過する濾過手段と、
濾過した水を前記改質器の改質水又は前記燃料電池のセルの電解質膜の加湿水として供給する濾過水供給手段と、
電気を一時的に蓄える電力貯蔵手段と、
前記燃料電池の出力を負荷、前記水分凝縮器及び前記電力貯蔵手段に分配可能な出力分配手段と、
前記燃料電池の発生電力が前記負荷の消費電力を越えるときに前記出力分配手段を作動させて余剰電力を前記水分凝縮手段及び前記電力貯蔵手段の少なくともいずれかに供給させる制御部と、
を備える燃料電池システム。A reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas from raw fuel,
A fuel cell that generates electricity from the reformed gas and supplied air;
A water condensing means for condensing water in the air to collect water,
Filtration means for filtering the collected water,
Filtered water supply means for supplying filtered water as reforming water of the reformer or humidifying water of an electrolyte membrane of a cell of the fuel cell,
Power storage means for temporarily storing electricity;
Output distribution means capable of distributing the output of the fuel cell to the load, the moisture condenser and the power storage means,
A control unit that activates the output distribution unit when the generated power of the fuel cell exceeds the power consumption of the load to supply surplus power to at least one of the moisture condensing unit and the power storage unit;
A fuel cell system comprising:
前記濾過水供給手段は、このタンクから濾過した水を供給する、請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池システム。Further, a tank for temporarily storing the filtered water is provided,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the filtered water supply unit supplies the filtered water from the tank.
外部環境から水を集める水収集手段と、
集めた水から純水を生成する純水生成手段と、
前記燃料電池の余剰電力で前記水収集手段を動作させる制御手段と、
を備える燃料電池システム。A fuel cell that supplies power to the load;
Water collection means for collecting water from the external environment;
Pure water generating means for generating pure water from the collected water,
Control means for operating the water collecting means with surplus power of the fuel cell,
A fuel cell system comprising:
請求項10に記載の燃料電池システム。The water collecting means includes a condenser that collects water by condensing moisture in the air, a rainwater tank that collects rainwater, and at least one of a condensed water tank that collects condensed water of an air conditioner.
The fuel cell system according to claim 10.
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