JP2006333638A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来から、燃料電池の余剰電力を蓄積し、電力の有効利用を図るため、燃料電池と二次電池を組み合わせたシステムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この文献に記載の技術では、車両に燃料電池と二次電池を搭載し、制動時等に発生する回生電力および余剰電力を二次電池に蓄積している。また、特許文献2に記載の技術では、燃料電池にフライホイールを設け、余剰電力を回転エネルギとして蓄積している。これら従来の技術では、電力を有効活用し、投入する燃料ガス量に対して利用できる電力量比率、すなわち、燃料利用率を高めることができる。 Conventionally, a system combining a fuel cell and a secondary battery has been proposed in order to accumulate surplus power of the fuel cell and to effectively use the power (see, for example, Patent Document 1). In the technique described in this document, a fuel cell and a secondary battery are mounted on a vehicle, and regenerative power and surplus power generated during braking and the like are accumulated in the secondary battery. In the technique described in Patent Document 2, a flywheel is provided in the fuel cell, and surplus power is accumulated as rotational energy. In these conventional techniques, it is possible to effectively use electric power and increase the ratio of the amount of electric power that can be used with respect to the amount of fuel gas to be input, that is, the fuel utilization rate.
しかし、これら従来技術によるシステムでは、燃料電池以外に二次電池あるいはフライホールといったエネルギを蓄積する装置のスペースが必要となる。したがって、このような技術は、積載効率を向上する必要がある車両には不向きなものであった。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされた。すなわち、本発明の目的は、燃料電池を動力源とする燃料電池システムにおいて、スペース効率を低下することなく電力を蓄積できる機能を提供することにある。また、本発明の目的は、そのようなスペース効率の低下を抑制した上で、緊急の場合には、安全に蓄積したエネルギを消滅させる技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems of the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a function capable of storing electric power without reducing space efficiency in a fuel cell system using a fuel cell as a power source. Moreover, the objective of this invention is providing the technique which extinguishes the energy accumulate | stored safely in the case of an emergency, after suppressing the fall of such space efficiency.
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、電動機と、回転力を受けることにより所定の中心軸の周りに回転可能な燃料電池と、前記電動機の回転力を前記燃料電池に遮断可能に接続するクラッチ部と、前記燃料電池の負荷からの要求電力を検出する手段と、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を超える場合に、前記要求電力を超える余剰電力を前記電動機に入力することにより前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギとして余剰電力を蓄積し、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を満たさない場合に、前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギにより前記電動機を駆動して発電し、発生した電力を前記出力電力とともに負荷に供給する制御手段とを備える燃料電池システムである。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. That is, the present invention relates to an electric motor, a fuel cell that can rotate around a predetermined central axis by receiving a rotational force, a clutch portion that connects the rotational force of the electric motor to the fuel cell so as to be cut off, and the fuel Means for detecting required power from the load of the battery, and when the output power of the fuel cell exceeds the required power, the surplus power exceeding the required power is input to the motor to be connected by the clutch unit When surplus power is stored as rotational energy of the fuel cell, and the output power of the fuel cell does not satisfy the required power, the motor is driven by the rotational energy of the fuel cell connected by the clutch unit to generate power, And a control means for supplying the generated power to the load together with the output power.
本発明によれば、燃料電池の出力電力が前記要求電力を超える場合に、前記要求電力を超える余剰電力を前記電動機に入力することにより前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギとして余剰電力を蓄積する。また、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を満たさない場合に、前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギにより前記電動機を駆動して発電し、発生した電力を前記出力電力とともに負荷に供給する。すなわち、燃料電池自体の回転を利用し、それ以外にエネルギ蓄積手段を設けることなく、余剰エネルギを利用することができる。 According to the present invention, when the output power of the fuel cell exceeds the required power, the surplus power as the rotational energy of the fuel cell connected by the clutch unit by inputting the surplus power exceeding the required power to the motor. Accumulate. Further, when the output power of the fuel cell does not satisfy the required power, the motor is driven by the rotational energy of the fuel cell connected by the clutch unit to generate electric power, and the generated power is used as a load together with the output power. Supply. That is, surplus energy can be used by utilizing the rotation of the fuel cell itself and without providing any other energy storage means.
前記燃料電池システムは、移動体に搭載され、移動体による衝突を検知する手段を備え、前記燃料電池は、前記中心軸の周りに回転可能な複数のセル部分と、前記セル部分を前記中心軸方向に締結する締結手段と、前記衝突が検知されたときに前記締結を弛緩させて各セル部分に分解する締結弛緩手段とを有するようにしてもよい。本発明によれば、移動体の衝突が検知されたときに、燃料電池が各セル部分に分解され、燃料電池の回転エネルギを小さな単位に分散でき、安全性を向上できる。 The fuel cell system includes means for detecting a collision caused by a moving body mounted on a moving body, and the fuel cell includes a plurality of cell portions that can rotate around the central axis, and the cell portions that are arranged on the central axis. You may make it have a fastening means to fasten in a direction and a fastening / loosening means to loosen the said fastening and to decompose | disassemble into each cell part, when the said collision is detected. According to the present invention, when a collision of a moving body is detected, the fuel cell is disassembled into each cell portion, and the rotational energy of the fuel cell can be dispersed into small units, thereby improving safety.
前記燃料電池は、前記中心軸の周りに回転可能な複数のセル部分と、前記セル部分と締結可能であり、締結力を弛緩させたときに前記セル部分と摺動可能に可能に構成され、前記中心軸の周りに回転可能な摩擦体と、前記摩擦体の前記セル部分への締結力を制御する締結制御手段と、前記摩擦体の回転を抑制する回転抑制手段と、を有するものでもよい。本発明によれば、セル部分とセル部分とに挟まれた摩擦体とセル部分との摩擦により熱を発生させるので、効率的にセル部分を加熱することができる。 The fuel cell is configured to be capable of fastening with a plurality of cell portions rotatable around the central axis and the cell portions, and capable of sliding with the cell portions when the fastening force is relaxed, It may have a friction body rotatable around the central axis, a fastening control means for controlling a fastening force of the friction body to the cell portion, and a rotation suppressing means for suppressing the rotation of the friction body. . According to the present invention, heat is generated by the friction between the friction body sandwiched between the cell portion and the cell portion and the cell portion, so that the cell portion can be efficiently heated.
燃料電池システムのスペース効率を低下することなく、電力として再利用可能なエネルギを蓄積できる。また、そのようなスペース効率の低下を抑制した上で、緊急の場合には、蓄積したエネルギを速やかに低減させることができる。 Reusable energy can be stored as electric power without reducing the space efficiency of the fuel cell system. In addition, in the case of an emergency, it is possible to quickly reduce the accumulated energy while suppressing such a decrease in space efficiency.
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態(以下、実施形態という)に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
《第1実施形態》
図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。この燃料電池システムは、車両として実現されている。この燃料電池システムは、車両の各部に電力を供給する燃料電池本体1を有している。この燃料電池は、所定の中心軸の周りに回転可能に構成されている。
Hereinafter, a fuel cell system according to the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings. The configuration of the following embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the configuration of the embodiment.
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. This fuel cell system is realized as a vehicle. This fuel cell system has a fuel cell main body 1 that supplies electric power to each part of a vehicle. This fuel cell is configured to be rotatable around a predetermined central axis.
この燃料電池システムは、電力ケーブル10を通じて燃料電池本体から発電電力を受け入れ、車両の各部に給電するPCU(電力制御ユニット、Power Control Unit)3と、PCU3から電力を供給され車輪20を駆動するとともに、電力余剰時に回生電力としてPCU3に送り返す駆動・回生モータ7と、PCU3から余剰な電力の供給を受けて燃料電池本体1を中心軸周りに回転させるとともに、電力不足時に燃料電池本体1の回転エネルギを電気エネルギに変換してPCU3に送り返すモータ2と、モータ2の駆動軸9と燃料電池本体1を回転させる駆動軸8とを接続するクラッチ4と、車両の運転席に設けられ運転者の加速・減速操作を検知するアクセルペダル13(本発明の要求電力を検出する手段に相当)と、運転者の減速・停車指示を検知するブレーキペダル14と、車両の衝突事故発生時等に加速度を検知する加速度センサ50(本発明の衝突を検知する手段に相当)と、アクセルペダル13、ブレーキペダル14、加速度センサ50等による運転操作を検知し、燃料電池システムの運転状態を制御するECU(Electronic Control Unit)5とを有している。
This fuel cell system receives power generated from a fuel cell main body through a
駆動・回生モータ7は、加速時には、PCU3から電力供給を受けて車輪20を駆動して車両を加速する。一方、駆動・回生モータ7は、車両の減速時には、発電機として機能し、回生電力をPCU3に供給する。
During acceleration, the drive / regenerative motor 7 receives power supply from the PCU 3 and drives the
同様に、モータ2は、電力余剰時には、駆動軸9、クラッチ4および駆動軸8を介して燃料電池本体1と回転可能に接続され、燃料電池本体1を中心軸の周りに回転する。一方、電力の不足時には、モータ2は、回転している燃料電池本体1により駆動軸9を駆動されて発電機として機能する。この場合には、モータ2は、電力をPCU3に供給する。
Similarly, when the electric power is surplus, the motor 2 is rotatably connected to the fuel cell main body 1 via the
クラッチ4(本発明のクラッチ部に相当)は、単板摩擦式のもの、多板摩擦式のもの、電磁流体を利用するもの、あるいは、流体結合のように連続的に回転を結合制御する形式のもの等を使用できる。 The clutch 4 (corresponding to the clutch portion of the present invention) is a single plate friction type, a multi-plate friction type, a type using electromagnetic fluid, or a type in which rotation is continuously controlled such as fluid coupling. Can be used.
燃料電池本体1(本発明の燃料電池に相当)は、円盤状の単セルを複数枚重ね合わせた略円筒状の回転可能なスタックと、その円筒部分の中心付近に配置された酸化剤用配管および燃料ガス用配管を組み合わせた接合パイプとを有している。接合パイプを通じて、酸化剤および燃料ガスが供給される。一方、排気、廃熱、および生成水は、円筒外周部から排出される。 A fuel cell main body 1 (corresponding to the fuel cell of the present invention) includes a substantially cylindrical rotatable stack in which a plurality of disk-shaped single cells are stacked, and an oxidant pipe disposed near the center of the cylindrical portion. And a joining pipe combining fuel gas piping. Oxidant and fuel gas are supplied through the joint pipe. On the other hand, exhaust gas, waste heat, and generated water are discharged from the outer periphery of the cylinder.
PCU3は、例えば、DCDCコンバータおよびインバータを含む。DCDCコンバータは、入力端子(燃料電池側との接続端子)に入力された電圧を高電圧または低電圧に変換して出力端子に供給する。インバータは、DCDCコンバータの出力を交流に変換にしてモータ2あるいは駆動・回生モータ7に供給する。これにより、PCU3は、燃料電池の発電電力をモータ2あるいは駆動・回生モータ7に供給する。 The PCU 3 includes, for example, a DCDC converter and an inverter. The DC-DC converter converts the voltage input to the input terminal (connection terminal on the fuel cell side) into a high voltage or a low voltage and supplies it to the output terminal. The inverter converts the output of the DCDC converter into alternating current and supplies it to the motor 2 or the drive / regenerative motor 7. Thereby, the PCU 3 supplies the power generated by the fuel cell to the motor 2 or the drive / regeneration motor 7.
一方、燃料電池本体1からDCDCコンバータへの入力がない場合またはその入力が燃料電池本体1を含むモータ2等の回転エネルギより少ない場合には、燃料電池本体1の回転によってモータ2が回転を強制されることにより起電力が発生し、交流電力がPCU3のインバータに送り返される。PCU3は、インバータに送り返された電力を駆動・回生モータ7に供給する。このようにして、PCU3は、モータ2と駆動・回生モータ7との間で、電力を授受できる。 On the other hand, when there is no input from the fuel cell body 1 to the DCDC converter or when the input is less than the rotational energy of the motor 2 or the like including the fuel cell body 1, the motor 2 is forced to rotate by the rotation of the fuel cell body 1. As a result, an electromotive force is generated, and AC power is sent back to the inverter of the PCU 3. The PCU 3 supplies the electric power sent back to the inverter to the drive / regenerative motor 7. In this way, the PCU 3 can exchange electric power between the motor 2 and the drive / regenerative motor 7.
図2に、燃料電池本体1の断面概要図を示す。燃料電池本体1は、概略円筒状に構成される。燃料電池本体1の円筒部の中心軸上には、燃料ガスを供給する燃料ガス配管30Aと酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス配管30Bとを組み合わせて構成した配管30が貫通している。配管30の一方の端部(図2で右側端部)は、所定の固定壁に固定されている。
In FIG. 2, the cross-sectional schematic diagram of the fuel cell main body 1 is shown. The fuel cell main body 1 is configured in a substantially cylindrical shape. A
燃料電池本体1を構成する単セル15は概略円盤状であり、配管30が貫通する中心付近に孔部を有している。単セル15は、配管30の長さ方向に積層され、スタックを構成している。
The
配管30の右側端部付近には、ストッパ31およびベアリング24が備えられている。さらに、ストッパ31およびベアリング24に隣接して右側のエンドプレート37Bおよび右端部の単セル15Bが配置されている。
A
一方、燃料電池本体1の左側には、油圧ピストン等の締結力調整機構23(本発明の提携手段に相当)の駆動部が備えられている。締結力調整機構23は、ベアリング24を介してスタックを図面左側から右方向に押圧する。スタックの左端部には、左側のエンドプ
レート37Aおよび左端部の単セル15Aが配置されている。図2では、省略されているが、左端部の単セル15Aから右端部の単セル15Bまで、複数層に渡ってスタックが構成されている。以下、個々の単セルを総称する場合に、単セル15という。
On the other hand, the left side of the fuel cell main body 1 is provided with a drive unit for a fastening force adjusting mechanism 23 (corresponding to the tie-up means of the present invention) such as a hydraulic piston. The fastening
各単セル15および左右のエンドプレート37A、37Bは、配管30の外周の周りを摺動しつつ回転可能に構成されている。また、各単セル15同士は、締結力調整機構23の押圧力により、左右のエンドプレート37A、37Bの間で一体化されている。ただし、締結力調整機構23の押圧力を緩めることにより、各単セル15を離間させることもできる。
Each
本実施形態の燃料電池システムでは、図1に示したように、加速度センサ50が車両に加わる加速度を検知し、ECP5に通知する。ECU5は、所定値以上の加速度が検知された場合には、衝突事故が発生したと判断し、かつスタックの回転エネルギが所定値以上である場合に、締結力調整機構23の押圧力を解除する(この処理を実行するECU5が締結弛緩手段に相当)。その結果、エンドプレート37Aの各単セル15への圧力が消滅し、エンドプレート37A、37Bおよびエンドプレート37A、37B間の各単セルがそれぞれ切り離される。その結果、所定値以上の大きな回転エネルギを有していたスタックが分解され、それぞれの部分が小さな運動エネルギを有する物体となり、運動エネルギが分散される。
In the fuel cell system of this embodiment, as shown in FIG. 1, the
左側のエンドプレート37Aは、配管30の外周を摺動回転するパイプ材33を通じてギア21に接続されている。ギア21は、ギア8Aと咬み合っている。ギア8Aは、クラッチ4(図1参照)を通じてモータ2に接続される駆動軸8と直結されている。したがって、モータ2により、ギア21、パイプ材33、左右のエンドプレート37A、37B、およびスタック(単セル15)が配管30の周りに回転可能に構成されている。
The left end plate 37 </ b> A is connected to the
さらに、スタック全体を被覆するガスシール34がスタックとは分離して配管30およびストッパ31に固定されている。ガスシール34の一端には、開口35が設けられ、反応後のオフガスが排出される。
Further, a
図3に、ガスシール34を省略した燃料電池本体1の断面構造図を示す。図3のように、単セル15は、水素極セパレータ25、MEA(Membrane Electrode Assembly)26、および空気極セパレータ27を有している。
FIG. 3 shows a cross-sectional structure diagram of the fuel cell main body 1 in which the
水素極セパレータ25は、中心軸付近を貫通する円筒状の孔部を有し、その孔部の内壁が配管30の外周に摺動可能に接している。一方、配管30を構成する燃料ガス配管30Aには、水素極セパレータ25に接する位置にて、外周上に所定の間隔で開口28Aが設けられている。そして、この開口28Aに対向する水素極セパレータ25の円筒状の孔部内壁には、配管30を取り巻く円周状のスリット28Bが設けられている。このスリット28Bは、水素極セパレータ25内の燃料ガス通路によって水素極側の電極に接続されている。
The
したがって、水素極セパレータ25が配管30の周りに回転しても、開口28Aは、常時スリット28Bと接続された状態を維持する。さらに、水素極セパレータ25の円筒状の孔部内壁面および配管30の外周面には、封止部材が付加されている。封止部材は、例えば、シリコンゴムである。シリコンゴムの代わりに多数のひだを有する迷宮シール(ラビリンスシール)を添付してもよい。このような封止部材により、開口28Aとスリット28Bは、気密が維持された状態で接続される。
Therefore, even when the
その結果、燃料ガスである水素は、配管30と水素極セパレータ25との接続部から漏
れることなく、開口28Aから円周状のスリット28Bに向けて放出されることになる。スリット28Bに放出された水素は、水素極セパレータ25の回転に伴い、水素極セパレータ25内の燃料ガス通路を移動し、水素極側の電極に達する。
As a result, hydrogen, which is a fuel gas, is discharged from the
同様に、空気極セパレータ27は、中心軸付近を貫通する円筒状の孔部を有し、その孔部の内壁が配管30の外周に摺動可能に接している。また、配管30を構成する酸化剤ガス配管30Bにおいてもまた、空気極セパレータ27に接する位置にて、外周上に所定の間隔で開口29Aが設けられている。そして、この開口29Aに対向する空気極セパレータ27の円筒状の孔部内壁には、配管30を取り巻く円周状のスリット29Bが設けられている。このスリット29Bは、空気極セパレータ27内の酸化剤ガス通路によって空気極側の電極に接続されている。
Similarly, the
したがって、空気極セパレータ27が配管30の周りに回転しても、開口29Aは、常時スリット29Bと接続された状態を維持する。さらに、空気極セパレータ27の円筒状の孔部内壁面および配管30の外周面にも、上述と同様の封止部材が付加されている。このような封止部材により、開口29Aとスリット29Bは、気密が維持された状態で接続される。
Therefore, even if the
その結果、酸化剤ガスである空気は、開口29Aから円周状のスリット29Bに向けて放出されることになる。スリット29Bに放出された空気は、空気極セパレータ27の回転に伴い、空気極セパレータ27内の酸化剤ガス通路を移動し、空気極側の電極に達する。
As a result, air, which is an oxidant gas, is discharged from the
水素極セパレータ25と空気極セパレータ27の間には、円盤状のMEA26が設けられている。MEA26も、円筒状の孔部を有し、配管30の外周に摺動回転可能に接している。水素極セパレータ25に供給された水素は、水素極側の電極にて電子を奪われてプロトンとなり、MEA26を拡散し、空気極側に達する。
A disc-shaped
空気極側の電極では、外部回路を通った電子と、MEA26を拡散したプロトンと、空気中の酸素が結合して水が生成される。このような反応を継続することにより、単セル15内の電極両端に起電力が発生し、単セル15を積層したスタックが燃料電池として機能する。
In the electrode on the air electrode side, water is generated by combining electrons that have passed through an external circuit, protons that have diffused through the
上記反応で生成された水、反応に寄与しなかった燃料ガスおよび空気(以下、オフガス等という)は、それぞれ水素極セパレータ25と空気極セパレータ27の外周に設けた不図示の開口からガスシール34で被覆された空間に放出される。そして、オフガス等は、ガスシール34に設けた開口35から排出される。
The water produced by the above reaction, the fuel gas that did not contribute to the reaction, and the air (hereinafter referred to as off-gas etc.) are
なお、図2の断面図において、左側のエンドプレート37Aとガスシール34との接触部分34Aにも、シリコンゴム、あるいは、迷宮シールのような封止部材が付加されている。したがって、ガスシール34内のオフガスの大半は、エンドプレート37Aとガスシール34との接触部分34Aから漏れることなく、開口35から排出される。
In the cross-sectional view of FIG. 2, a sealing member such as silicon rubber or a labyrinth seal is also added to the
図1により、本燃料電池システムを制御するECU5の処理を説明する。ECU5は、アクセルペダル13の傾きの変化に伴うセンサ信号を検知して、要求電力を計算する。要求電力が燃料電池本体1の最低発電電力よりもさらに小さい場合には、ECU5は、PCU3に指令して、発電電力の一部を駆動・回生モータ7に送り、車両を走行させるとともに、余剰電力をモータ2に供給する(以下の処理を実行するECU5およびPCU3が本発明の制御手段に相当する)。
The processing of the
そして、ECU5は、クラッチ4を接続し、モータ2により、駆動軸8、ギア8A、21を駆動し(図2および図3参照)、燃料電池本体1を配管30の周りに回転させる。その結果、要求電力以上の余剰電力は、燃料電池本体1の回転エネルギとして蓄積される。
Then, the
一方、要求電力が燃料電池本体1の最低発電電力より大きい場合には、ECU5は、クラッチ4を切断して燃料電池本体1への回転力の投入を停止する。さらに、ECU5は、不図示の燃料ガス系のバルブのおよび酸化剤系のバルブおよびエアーコンプレッサ等を制御して、水素ガスおよび空気の供給量を増加させ、発電電力を増加させる。そして、要求電力が燃料電池本体1の最高発電電力より大きい場合には、ECU5は、PCU3を制御してモータ2へのモータ駆動電力の供給を停止し、その状態でクラッチ4を接続する。
On the other hand, when the required power is larger than the minimum generated power of the fuel cell main body 1, the
すると、モータ2は、クラッチ4を介して燃料電池本体1の回転エネルギにより駆動され、発電機として機能する。このとき、PCU3は、モータ2で発電された電力を駆動・回生モータ7に供給する。その結果、燃料電池本体1で発電された電力に加えて、燃料電池本体1の回転エネルギから変換されたモータ2の発電電力により駆動・回生モータ7が駆動されることになる。 Then, the motor 2 is driven by the rotational energy of the fuel cell main body 1 via the clutch 4 and functions as a generator. At this time, the PCU 3 supplies the electric power generated by the motor 2 to the drive / regeneration motor 7. As a result, in addition to the electric power generated by the fuel cell main body 1, the drive / regenerative motor 7 is driven by the electric power generated by the motor 2 converted from the rotational energy of the fuel cell main body 1.
また、ECU5は、ブレーキペダル14の傾きの変化に伴うセンサ信号を検知して、駆動・回生モータ7を減速する。減速の結果、回生電力が生成され、PCU3を通じてモータ2に供給される。この場合も、ECU5は、クラッチ4を接続し、モータ2により、燃料電池本体1を配管30の周りに回転させる。その結果、減速時の回生電力は、燃料電池本体1の回転エネルギとして蓄積される。
Further, the
以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池本体1自体に回転構造を有しつつ、当該燃料電池が畜エネルギ媒体として機能する。したがって、燃料電池本体1が余剰電力を発電する場合には、余剰電力がPCU3およびモータ2を通じて燃料電池本体1の回転エネルギとして蓄積される。また、駆動・回生モータ7減速時に発生される回生電力がPCU3およびモータ2を通じて燃料電池本体1の回転エネルギとして蓄積される。 As described above, in the fuel cell system of the present embodiment, the fuel cell functions as a livestock energy medium while the fuel cell body 1 itself has a rotating structure. Therefore, when the fuel cell main body 1 generates surplus power, the surplus power is accumulated as rotational energy of the fuel cell main body 1 through the PCU 3 and the motor 2. Further, regenerative electric power generated when the drive / regenerative motor 7 is decelerated is accumulated as rotational energy of the fuel cell main body 1 through the PCU 3 and the motor 2.
一方、燃料電池本体1の発電量がユーザの要求電力に達しない場合、燃料電池本体1の回転エネルギがモータ2により電力に変換され、PCU3を通じて駆動・回生モータ7に供給され、車両の走行に寄与する。このような機能の達成において、本燃料電池システムでは、二次電池等の蓄電装置、フライホイール等のエネルギ蓄積手段を必要としない。したがって、車両のようなスペースの限られたシステムにおいて、極めて有効な蓄電機能を提供する。 On the other hand, when the power generation amount of the fuel cell main body 1 does not reach the power required by the user, the rotational energy of the fuel cell main body 1 is converted into electric power by the motor 2 and supplied to the drive / regenerative motor 7 through the PCU 3 to drive the vehicle. Contribute. In achieving such a function, the fuel cell system does not require a power storage device such as a secondary battery, or energy storage means such as a flywheel. Therefore, it provides a very effective power storage function in a system with a limited space such as a vehicle.
さらに、上述のように、本燃料電池システムは、車両の加速度を検知し、スタックの回転エネルギが所定値以上の状態で、所定値以上の大きな加速度を検知する。そして、衝突事故の発生を認識した場合には、ECU5は、締結力調整機構23の押圧力を解除することで、スタックの単セル15を分解し、回転エネルギを小さな値に分散させる。
Further, as described above, the fuel cell system detects the acceleration of the vehicle, and detects a large acceleration of a predetermined value or more in a state where the rotational energy of the stack is a predetermined value or more. When recognizing the occurrence of a collision accident, the
<変形例>
なお、上記実施形態では、二次電池またはコンデンサのような蓄電装置を設けなかったが、上記構成(図1〜図3参照)にさらに、蓄電装置を組み合わせてもよい。そして、例えば、生成水の排出等のため、燃料電池本体1の最低回転数を維持することが必要な場合において、燃料電池本体1の出力、および駆動・回生モータ7の出力だけでは、燃料電池本体1の最低回転数を維持することができな場合、蓄電装置からPCU3を介して、モータ2を駆動するようにしてもよい。
<Modification>
In the above embodiment, a power storage device such as a secondary battery or a capacitor is not provided, but a power storage device may be further combined with the above configuration (see FIGS. 1 to 3). For example, when it is necessary to maintain the minimum number of rotations of the fuel cell main body 1 due to discharge of produced water, the fuel cell can be obtained only by the output of the fuel cell main body 1 and the output of the drive / regenerative motor 7. When the minimum rotation speed of the main body 1 cannot be maintained, the motor 2 may be driven from the power storage device via the PCU 3.
上記第1実施形態では、油圧ピストン等の締結力調整機構23により単セル15を押圧してスタックを一体化した。しかし、本発明の実施はそのような構成に限定されるものではない。
In the first embodiment, the stack is integrated by pressing the
図4に、可動片41を有するボルト43と、ナット42とによりスタックを締結する変形例を示す。図4の場合も、ガスシール34は省略されている。
FIG. 4 shows a modification in which a stack is fastened by a
可動片41は、例えば、電磁力等により、開閉可能に構成される。例えば、可動片41は、2つの棒材の端部を軸止めして開閉可能なV字形状に構成し、2つの棒材の他の端部同士を取り外し自在の支持部材で接続して三角形状を構成すればよい。支持部材には電磁力を加えることで、支持部材がV字形状の2つの棒材から外れるように構成すればよい。なお、上記電磁力と逆方向の弾性力でV字形状を維持する板バネによって上記支持部材を構成してもよい。
The
可動片41が開いた状態で、ナット42を締めることにより、単セルを含むスタックを締結することができる。また、電磁力により可動片41を畳む(V字形状が閉じる)方向に移動することで、エンドプレート37Aと37Bとの間は、相対距離が拡がる。その結果、単セル間の締結を緩めることができる。そして、可動片41を完全に畳んでしまうと、エンドプレート37Aには、もはや締結力が作用しなくなり、エンドプレート37Aは、ボルト43から外れる。その結果、単セル15をそれぞればらばらに分離することができる。
A stack including a single cell can be fastened by tightening the
したがって、上記実施形態と同様に、ECU5が車両の加速度を示す加速度センサ50の出力を監視しておき、スタックの回転エネルギが所定値以上の状態で所定値以上の大きな加速度を検知し衝突事故の発生を認識した場合には、可動片41を畳むことにより、スタックをそれぞれの単セル15に分解し、回転エネルギを小さな値に分散できる。
Therefore, as in the above embodiment, the
なお、ここでは、可動片41は、電磁力により開閉するとしたが、例えば、油圧等の機構系により開閉するようにしてもよい。また外部から給電してモータにより可動片41を駆動してもよい。
Here, the
《第2実施形態》
以下、図5から図8の図面を参照して本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムを説明する。本実施形態の燃料電池システムも、第1形態の場合と同様、モータ2により単セル15が中心軸の周りに回転する構造を有する。これにより、本実施形態においても、燃料電池システムは、車両として実現され、余剰電力あるいは回生電力をスタックの回転エネルギとして蓄積する。
<< Second Embodiment >>
Hereinafter, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The fuel cell system of this embodiment also has a structure in which the
ただし、そのようなフライホイールとしての機能に加えて、本燃料電池システムは、単セル15の間に摩擦板を有し、摩擦板と単セル15との間で熱を発生させる機能を有する。本燃料電池システムの他の構成および作用は、第1実施形態の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて、図1から図4の図面を参照する。
However, in addition to such a function as a flywheel, the present fuel cell system has a friction plate between the
図5は、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムの概念図である。この燃料電池システムは、第1実施形態の場合と同様、配管30の周りに単セル15が回転可能に構成されている。各単セル15は、油圧ピストン等の締結力調整機構23により一体化されてスタックを構成している。なお、図5では、省略されているが、第1実施形態の場合と同様、スタックは、ガスシール34で被覆されている。
FIG. 5 is a conceptual diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. In the fuel cell system, the
図5のように、本実施形態では、単セル15と単セル15との間には、円盤状の摩擦板33が挿入されている。それぞれの摩擦板33は、他の摩擦板33と左右方向(摩擦板33の円盤面に垂直な方向)の連結部材により連結され一体化されている。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, a disk-shaped
また、摩擦板33には、ブレーキ40により回転を阻止する制動を加えることができる。その結果、摩擦板33と単セル15との間で、接触面が摺動し、摩擦熱が発生する。単セル15の表面には、温度センサ46が設けられ、単セルの温度をECU5に通知する。
Further, the
これにより、ECU5は、スタックの温度をコントロールすることが可能である。例えば、燃料電池の起動時には、摩擦板33と単セル15との間の摺動により熱を発生させるとともに、単セル15の温度を監視する。そして、単セルの温度が十分に高温に達した場合には、ブレーキ40による制動を緩和し、熱の発生を停止させる。
Thereby, the
図6に、ガスシール34を省略した燃料電池本体1の断面構造図を示す。図6のように、単セル15と単セル15との間には、摩擦板33が挿入されている。摩擦板33も円盤状であり、中心部付近の孔部内壁で配管30に摺動回転可能に接している。
FIG. 6 shows a cross-sectional structure diagram of the fuel cell main body 1 in which the
温度センサ46は、単セル内に挿入されている。温度センサ46は、回転しない配管30の外周上に設けられたブラシ部46Bおよびセンサケーブル46Cを通じて検出信号をECU5へ通知する。
The
図7に、摩擦板33の平面図を示す。図7のように、摩擦板33は、略円盤状であり、中心部付近に孔部33Aを有している。この孔部33Aには、配管30が摺動可能に貫通する。また、摩擦板33の外周部には、切り欠き部33Bが形成されている。切り欠き部33Bには、複数の摩擦板33を締結する連結部材がはめ込まれる。
FIG. 7 shows a plan view of the
本実施形態において、摩擦板33の材質に限定はないが、セル間の導通を確保するため摩擦板33は導電性材料が望ましい。
図6に示すように、複数の摩擦板33は、連結部材32により着脱可能に連結されている。連結部材32は、金属または樹脂性の板状部材であり、摩擦33の切り欠き部33Bに挿入される。
In the present embodiment, the material of the
As shown in FIG. 6, the plurality of
さらに、スタック全体は、両端に位置するエンドプレート37A、37Bにより挟まれている。エンドプレート37A、37Bも円盤状である。エンドプレート37A、37Bの円盤状の中心部付近には、孔部が設けられ、孔部の内面は、配管30の外周と接触して摺動する。連結部材32は、図6において、右端部がエンドプレート37Bに固定されている。一方、連結部材32の左端部は、エンドプレート37Aの孔部に摺動自在にはめ込まれている(図6のA円部分参照)。
Further, the entire stack is sandwiched between
図8に、図6のA円部分の拡大断面図を示す。図8のように、エンドプレート37Aには、連結部材32を挿入可能な孔部36が、連結部材32を挿入する右側面から所定深さまで形成されている。孔部36の断面寸法は、連結部材32の断面寸法よりやや大きく、孔部36には、連結部32を挿抜可能にはめ込むことができる。
FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the A circle portion of FIG. As shown in FIG. 8, the end plate 37 </ b> A is formed with a
図6に示すように、右側のエンドプレート37Bの外側面(図6で右側面)は、ベアリング24を挟んでストッパ31と対面している。また、エンドプレート37Aは、ベアリング24を介して締結力調整機構23により、図6の左方から押圧可能となっている。
As shown in FIG. 6, the outer side surface (the right side surface in FIG. 6) of the right end plate 37 </ b> B faces the
したがって、ECU5の制御により、締結力調整機構23により、エンドプレート37Aを十分に押圧することで、エンドプレート37A、37Bの間に単セル15および摩擦
板33を含むスタックを挟み込んだ状態で一体化することができる。すなわち、エンドプレート37A、37B間のスタックは、ベアリング24を介してストッパ31に押圧されることになる。このような状態で、第1実施形態と同様に、モータ2を駆動することで、ECU5は、クラッチ4を介して摩擦板33を含むスタックを配管30の周りに回転することができる。
Therefore, the
また、ECU5の制御により、締結力調整機構23の押圧を弱めることで、エンドプレート37Aを図6の左方向に摺動することができる。このとき、連結部材32は、エンドプレート37Aの孔部36から引き抜かれる方向に相対的に移動する。その結果、エンドプレート37Aと37Bとの相対的な距離が拡がり、単セル15および摩擦板33が緩く締結されることになる。以上の処理を実行するECU5が締結制御手段に相当する。
Further, the
一方、エンドプレート37Bの外周付近には、ブレーキパッド40が設けられ、油圧機構40Aにより押圧可能となっている。したがって、油圧機構40Aによりブレーキパッド40をエンドプレート37Bの外周に押圧することにより、エンドプレート37A、37B、連結部材32、および摩擦板33からなる構造部分の回転運動に対して制動を加えることができる(ブレーキパッド40、油圧機構40A、およびこれらを制御するECU5が回転制御手段に相当する)。このとき、締結力調整機構23により、十分な押圧力が加わっている場合には、単セル15に対しても制動を加えることになる。
On the other hand, a
しかし、締結力調整機構23により、十分な押圧力が加わっていない状態で、油圧機構40Aによりブレーキパッド40をエンドプレート37Bの外周に押圧すると、エンドプレート37A、37B、連結部材32、および摩擦板33からなる構造部分の回転運動に対して制動を加えるが、単セル15には制動が加わらない。そのため、スタックを構成する単セル15と摩擦板33とは、接触面で摺動する結果となり、単セル15と摩擦板33との間に摩擦熱が発生する。
However, when the
したがって、例えば、燃料電池の起動時、締結力調整機構23による押圧力を緩やかな値とし、単セル15と摩擦板33とを摺動可能とする。そして、油圧機構40Aにより制動をエンドプレート37A、37B、連結部材32、および摩擦板33からなる構造部分に加える。この状態で、モータ2によりスタックを回転することで、単セル15を燃料電池起動時に必要な温度まで加熱することができる。ECU5は、温度センサ46による検出温度を監視、単セル15が所定の温度になった場合には、ブレーキパッド40による制動を解除するとともに、締結力調整機構23によるスタックの締結を強めればよい。このような制御により、定常運転できる温度状態では、単セル15と摩擦板23とは摺動せず、摩擦熱の発生が停止される。
Therefore, for example, when the fuel cell is started, the pressing force by the fastening
また、例えば、燃料電池システムの運転停止時、温度センサ46による検出温度が所定値より低い場合には、ブレーキパッド40による制動を加えるとともに、締結力調整機構23によるスタックの締結を弱めればよい。このような制御により、運転停止前、スタックが所定の温度になるまで、暖機運転することができる。
For example, when the temperature detected by the
いずれにしても、本燃料電池システムの場合、摩擦熱は、単セル15と摩擦板33との間で発生する。すなわち、摩擦熱は、シール部材34に被覆された燃料電池本体1のスタック内で発生し、直接スタックに伝搬することになる。このため、発生した熱を外部に散逸することが少なく、効率的に単セル15を加熱できる。
In any case, in the present fuel cell system, frictional heat is generated between the
1 燃料電池本体
2 モータ
3 PCU
4 クラッチ
5 ECU
7 駆動・回生モータ
8、9 駆動軸
8A、21 ギア
10、11 電力ケーブル
13 アクセルペダル
14 ブレーキペダル
15 単セル
20 車輪
23 締結力調整機構
24 ベアリング
28A、29A 開口
28B、29B 溝部
30 配管
30A 水素ガス配管
30B 酸化剤ガス配管
31 ストッパ
33 摩擦板
34 ガスシール
37A、37B エンドプレート
50 加速度センサ
1 Fuel Cell Body 2 Motor 3 PCU
4
7 Drive /
Claims (3)
回転力を受けることにより所定の中心軸の周りに回転可能な燃料電池と、
前記電動機の回転力を前記燃料電池に遮断可能に接続するクラッチ部と、
前記燃料電池の負荷からの要求電力を検出する手段と、
前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を超える場合に、前記要求電力を超える余剰電力を前記電動機に入力することにより前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギとして余剰電力を蓄積し、前記燃料電池の出力電力が前記要求電力を満たさない場合に、前記クラッチ部によって接続された燃料電池の回転エネルギにより前記電動機を駆動して発電し、発生した電力を前記出力電力とともに負荷に供給する制御手段とを備える燃料電池システム。 An electric motor,
A fuel cell capable of rotating around a predetermined central axis by receiving a rotational force;
A clutch part for connecting the rotational force of the electric motor to the fuel cell so as to be cut off;
Means for detecting required power from a load of the fuel cell;
When the output power of the fuel cell exceeds the required power, the surplus power exceeding the required power is input to the motor to accumulate surplus power as the rotational energy of the fuel cell connected by the clutch unit, Control in which when the output power of the fuel cell does not satisfy the required power, the motor is driven by the rotational energy of the fuel cell connected by the clutch unit to generate power, and the generated power is supplied to the load together with the output power And a fuel cell system.
前記燃料電池は、前記中心軸の周りに回転可能な複数のセル部分と、前記セル部分を前記中心軸方向に締結する締結手段と、前記衝突が検知されたときに前記締結を弛緩させて各セル部分に分解する締結弛緩手段とを有する請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system is mounted on a moving body and includes means for detecting a collision by the moving body,
The fuel cell includes a plurality of cell portions rotatable around the central axis, fastening means for fastening the cell portions in the central axis direction, and loosening the fastening when the collision is detected, The fuel cell system according to claim 1, further comprising fastening / loosening means that disassembles into cell portions.
前記中心軸の周りに回転可能な複数のセル部分と、
前記セル部分と締結可能であり、締結力を弛緩させたときに前記セル部分と摺動可能に構成され、前記中心軸の周りに回転可能な摩擦体と、
前記摩擦体の前記セル部分への締結力を制御する締結制御手段と、
前記摩擦体の回転を抑制する回転抑制手段と、を有する請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell
A plurality of cell portions rotatable about the central axis;
A friction body that can be fastened with the cell portion and configured to be slidable with the cell portion when a fastening force is relaxed, and is rotatable about the central axis;
A fastening control means for controlling a fastening force of the friction body to the cell portion;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising a rotation suppression unit that suppresses rotation of the friction body.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005154320A JP2006333638A (en) | 2005-05-26 | 2005-05-26 | Fuel cell system |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010055995A (en) * | 2008-08-29 | 2010-03-11 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell stack and method for installing the same |
CN109703375A (en) * | 2019-01-30 | 2019-05-03 | 吉林大学 | Electric car regenerating braking energy coordinates recycling and control method |
-
2005
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