JP2008108538A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の排熱を有効利用して暖房対象室内を効率良く暖房することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０と、燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段３と、燃料電池１０に空気を供給する空気供給手段２Ａと、燃料電池１０から排出される空気オフガスを案内する空気オフガス導出手段２Ｂと、これらを制御する制御装置５とを有し、空気オフガス導出手段２Ｂで案内される空気オフガスを暖房対象室Ｒ内に直接排出するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の排熱を利用して暖房対象室内を暖房することが可能な燃料電池システムに関する。

現在、反応ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムには、燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池に空気を供給する空気供給手段と、燃料電池から排出される空気オフガスを案内する空気オフガス導出手段とが設けられている。

ところで、このような燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却するために設けられた冷却水経路から燃料電池の熱を回収し、付設された室の室内暖房に利用する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３４２５５８号公報

しかしながら、燃料電池は内燃機関等に比べて効率が良く排熱が少ないため、上記のように燃料電池から冷却水に、さらに冷却水から室内空気にと複数回熱交換すると、暖房効率が悪くなり、燃料電池の排熱を室内暖房に有効利用できなくなってしまう。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の排熱を有効利用して暖房対象室内を効率良く暖房することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池から排出される空気オフガスを案内する空気オフガス導出手段と、前記空気オフガス導出手段で案内される空気オフガスの少なくとも一部を暖房対象室内に直接排出可能にする空気オフガス導出制御手段と、を備えるように構成している。

かかる構成によれば、空気オフガス導出手段で案内される燃料電池からの空気オフガスを暖房対象室内に直接排出するため、燃料電池から一度の熱交換で済んだ空気オフガスで暖房対象室内を暖房することができる。

前記空気オフガス導出制御手段は、前記燃料電池の間欠運転時に、前記暖房対象室内に空気オフガスを直接排出するようにしても良い。

前記空気供給手段は、前記暖房対象室内に空気オフガスを直接排出する状態での空気ストイキを直接排出しない状態よりも高くするようにしても良い。

前記空気オフガス導出制御手段は、前記燃料電池の温度に基づいて、前記暖房対象室内への空気オフガスの直接排出の可否を判断するようにしても良い。

本発明によれば、空気オフガス導出手段で案内される燃料電池からの空気オフガスを暖房対象室内に直接排出するため、燃料電池から一度の熱交換で済んだ空気オフガスで暖房対象室内を暖房することができる。したがって、燃料電池の排熱を有効利用して暖房対象室内を効率良く暖房することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶、航空機、電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

まず、図１を用いて、燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、酸化ガスとしての空気及び燃料ガスとしての水素ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、例えば固体高分子型のもので、図示は略すが電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡの両面に配置された一対のセパレータとで構成された単セルを複数備えたスタック構造をなしている。

また、燃料電池システム１は、燃料電池１０のカソード極に酸化ガスとしての空気を供給する空気配管系２と、燃料電池１０のアノード極に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系（燃料ガス供給手段）３と、燃料電池１０に温度調節のために冷却水を循環させる冷却水配管系４と、システム全体を統合制御する制御装置５とを備えている。

空気配管系２は、エアクリーナ２０を介して大気中から取り入れられた酸化ガスとしての空気を加湿器２１により加湿して燃料電池１０のカソード極に供給する空気供給流路２２と、燃料電池１０のカソード極から排出された空気オフガスを加湿器２１に導いた後に排出する空気排出流路２３とを備えている。

空気供給流路２２には、エアクリーナ２０を通過する空気の温度を検出する温度センサ２４と、エアクリーナ２０を通過する空気の流量を検出するエアフローメータ２５と、モータ２６ａで駆動されて大気中から空気を取り込んで加湿器２１に圧送するコンプレッサ２６と、コンプレッサ２６を通過後で加湿器２１を通過する前の空気の温度を検出する温度センサ２７とが設けられている。ここで、加湿器２１は、空気排出流路２３を通る空気オフガスの水蒸気を空気供給流路２２内の空気に供給するものである。

空気排出流路２３には燃料電池１０と加湿器２１との間に空気オフガスの圧力を検出する圧力センサ２８が設けられている。

空気配管系２のうち、空気供給流路２２と、これに設けられたエアクリーナ２０、温度センサ２４、エアフローメータ２５、コンプレッサ２６、温度センサ２７及び加湿器２１とが、燃料電池１０のカソード極に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給配管系（空気供給手段）２Ａを構成しており、空気排出流路２３と、これに設けられた圧力センサ２８及び加湿器２１とが、燃料電池１０のカソード極から排出される空気オフガスを案内する空気オフガス導出配管系（空気オフガス導出手段）２Ｂを構成している。

水素ガス配管系３は、高圧の燃料ガスとしての水素ガスを貯留した図示略の燃料供給源から水素ガスを燃料電池１０のアノード極に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０のアノード極から排出された水素オフガス（アノードオフガス）を排出するための図示略の水素排出流路とを備えている。水素供給流路３１には、燃料電池１０のアノード極に供給する水素ガスの流量を調節するインジェクタ３２と、インジェクタ３２と燃料電池１０との間の圧力を検出する圧力センサ３３とが設けられている。

冷却水配管系４は、燃料電池１０の冷却水出口４１と冷却水入口４２と結ぶ冷却水流路４３と、冷却水流路４３に設けられて冷却水流路４３内で冷却水出口４１から冷却水入口４２に向けて冷却水を流す冷却水ポンプ４４と、冷却水流路４３における冷却水ポンプ４４の上流側に設けられた熱交換器としてのラジエータ４５と、ラジエータ４５を回避するように冷却水流路４３にバイパス接続されたバイパス流路４６と、冷却水流路４３におけるラジエータ４５と冷却水ポンプ４４との間となる、冷却水流路４３とバイパス流路４６との合流位置に設けられたロータリ式の三方弁４７とを有している。ここで、ラジエータ４５は、冷却水流路４３に設けられたラジエータコア４５ａと、このラジエータコア４５ａに風を送るファン４５ｂとを備えている。

また、冷却水配管系４には、冷却水流路４３におけるラジエータ４５と三方弁４７との間に温度センサ４８が、冷却水流路４３における燃料電池１０の冷却水入口４２の直前位置に温度センサ４９が、冷却水流路４３における燃料電池１０の冷却水出口４１の直後位置に温度センサ５０が、それぞれ設けられている。なお、冷却水配管系４の温度センサ４９，５０と、燃料電池１０と、水素ガス配管系３のインジェクタ３２及び圧力センサ３３と、空気オフガス導出配管系２Ｂの圧力センサ２８とが、スタックケース５５内に収容されている。

上記の冷却水配管系４は、三方弁４７を切り替えることにより、冷却水ポンプ４４で吸引される燃料電池１０からの冷却水を、バイパス流路４６を介しラジエータ４５を介さずにそのまま燃料電池１０に戻す状態と、冷却水ポンプ４４で吸引される燃料電池１０からの冷却水を、ラジエータ４５で冷却して燃料電池１０に戻す状態とに切り替えられる。

なお、燃料電池１０が発生した電力は、図示略のパワーコントロールユニットに供給されることになり、パワーコントロールユニットは、燃料電池１０が発生した電力による車両の走行駆動モータの駆動や、各種の補機類の駆動、図示略のバッテリやキャパシタ等の蓄電装置への充電、蓄電装置からの走行駆動モータや補機類への電力供給等を制御する。

そして、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１０の排熱を利用して車両の車室（暖房対象室）Ｒ内の暖房を行う暖房装置６を備えている。そして、本発明の空気オフガス導出制御手段は、本実施形態では、少なくとも後述する三方弁６１及び暖房配管６２と、制御装置５とを備えて構成されている。

この暖房装置６は、空気オフガス導出配管系２Ｂの空気排出流路２３における燃料電池１０と加湿器２１との間に設けられたロータリ式の三方弁６１と、三方弁６１と車室Ｒとを連通させる暖房配管６２とを有している。ここで、これら三方弁６１及び暖房配管６２も空気オフガス導出配管系２Ｂの一部を構成している。

三方弁６１は、制御装置５で制御されて、暖房配管６２を遮断し燃料電池１０からの空気オフガスを暖房配管６２に流すことなく空気排出流路２３でそのまま加湿器２１に流す状態と、燃料電池１０からの空気オフガスを空気排出流路２３で下流側に流すことなく暖房配管６２に流す状態との間で切り替えられる。

車室Ｒには、エアコンディショナ７０が設けられており、このエアコンディショナ７０からの要求信号が制御装置５に入力されるようになっている。なお、エアコンディショナ７０は、車室Ｒ内の気温及びエアコンディショナ７０に設定入力された設定温度等に基づいて車室Ｒ内を暖房する必要が生じた場合に、制御装置５に暖房要求信号を出力する。

以上の燃料電池システム１において、システム作動中に、制御装置５は、水素ガス配管系３のインジェクタ３２と、空気配管系２のコンプレッサ２６及び三方弁６１とを制御し、さらに必要により冷却水ポンプ４４及び三方弁４７を制御する。通常運転では、制御装置５は、暖房装置６の三方弁６１により暖房配管６２を遮断した状態にあり、燃料電池１０から排出される空気オフガスを空気排出流路２３で加湿器２１に案内する状態にある。

すると、コンプレッサ２６で圧送され加湿器２１で加湿された空気が空気供給流路２２を介して燃料電池１０のカソード極に供給されるとともに、水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０のアノード極に供給されることになり、空気中の酸素と水素ガスとの電気化学反応によって燃料電池１０で発電が行われる。

ここで、制御装置５は、システム作動中に、図２に示すように、エアコンディショナ７０から暖房の要求つまり暖房要求信号の出力があったか否かと、例えば燃料電池１０の冷却水出口４１の直後位置に設けられた温度センサ５０が検出する冷却水温度（つまり燃料電池１０の温度）が、燃料電池１０の排熱を暖房用として使用するのに適さないと判断できる所定の不許可上限温度、具体的には例えば６０℃を超えているか否かと、燃料電池１０が間欠運転モード中であるか否かとを判断している（ステップＳ１）。

ここで、間欠運転モードとは、例えば車両のアイドリング時、低速走行時、又は回生制動時等のように低負荷運転時に燃料電池１０の発電を一時休止し、蓄電装置から負荷（モータ等）への電力供給を行い、燃料電池１０には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を間欠的に行うモード（実質的な非発電状態）をいう。

制御装置５は、上記ステップＳ１の判断によって、暖房の要求があり且つ冷却水温度が不許可上限温度を超えていて且つ燃料電池１０が間欠運転モード中である場合に限り、三方弁６１を、燃料電池１０からの空気オフガスを空気排出流路２３で加湿器２１に流すことなく暖房配管６２に流す状態に切り替えるとともに、コンプレッサ２６をエアコンディショナ７０から要求された空気オフガス流量が確保できるように駆動する（ステップＳ２）。

そして、制御装置５は、エアコンディショナ７０に対し、燃料電池１０の排熱を利用した暖房が可能である旨を示す暖房可信号を出力する。すると、エアコンディショナ７０に燃料電池１０から暖房配管６２を介して空気オフガスが導入されることになり、エアコンディショナ７０は、この空気オフガスを車室内に暖房用として直接放出することになる。その結果、燃料電池１０の排熱で加温された空気オフガスが車室Ｒ内を加温することになる。

他方、暖房の要求があり且つ冷却水温度が不許可上限温度を超えていて且つ燃料電池１０が間欠運転モード中であるという三条件がすべて揃わない場合、制御装置５は、三方弁６１を、燃料電池１０からの空気オフガスを暖房配管６２に流すことなく、空気排出流路２３で加湿器２１に流す状態とし、エアコンディショナ７０に対し、燃料電池１０の排熱を利用した暖房が不可である旨を示す暖房不可信号を出力する。すると、エアコンディショナ７０は、バッテリやキャパシタ等の蓄電装置の電力で暖房運転を行う。

以上に述べた本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、空気排出流路２３で案内される燃料電池１０からの空気オフガスを三方弁６１及び暖房配管６２によって車室Ｒ内に直接排出するため、燃料電池１０から一度の熱交換で済んだ空気オフガスで車室Ｒ内を暖房することができる。したがって、燃料電池１０の排熱を有効利用して暖房対象である車室Ｒ内を効率良く暖房することができる。その結果、特に冬季に生じる実用燃費の低下を抑制できる。

また、制御装置５は、温度センサ５０で検出した燃料電池１０の温度に基づいて、三方弁６１及び暖房配管６２による車室Ｒ内への空気オフガスの直接排出の可否を判断するため、燃料電池１０の暖機後と、暖機過程であっても排熱を利用できる温度となっている場合とに限って、燃料電池１０を通過した空気オフガスで車室Ｒ内を暖房することができる。

なお、以上の燃料電池システム１において、暖房装置６を構成する三方弁６１及び暖房配管６２を、空気排出流路２３における加湿器２１よりも上流側ではなく、図１に二点鎖線で示すように、加湿器２１よりも下流側に設けても良い。このように構成すれば、加湿器２１を通過する際に熱が若干逃げて効率が低下するものの、加湿器２１を通過後の乾燥した空気を車室Ｒ内に排出することができる。

また、以上の燃料電池システム１においては、燃料電池システム１の制御装置５が、燃料電池１０の間欠運転時（実質的な非発電時）に、コンプレッサ２６を含む空気供給配管系２Ａと、空気オフガス導出配管系２Ｂの空気排出流路２３、三方弁６１及び暖房配管６２とで車室Ｒ内に空気オフガスを直接排出するようにしたが、燃料電池１０の発電中に、車室Ｒ内に空気オフガスを直接排出するようにしても良い。

このように燃料電池１０の発電中に車室Ｒ内に空気オフガスを直接排出するに当たっては、空気配管系２で燃料電池１０に供給する空気の燃料電池１０での利用率である空気ストイキ（供給量／使用量）を、車室Ｒ内に空気オフガスを排出しない通常の空気ストイキ（例えば１．０〜１．２）よりも高い所定値（例えば１．２〜１．５等）に上げたり、あるいは例えば車室Ｒ内に空気オフガスを直接排出する際に空気オフガスに直接酸素を供給する手段を設けたりする。このように構成すればエアコンディショナ７０の暖房ユニットを廃止することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの要部の制御内容のフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２Ａ…空気供給配管系（空気供給手段）、２Ｂ…空気オフガス導出配管系（空気オフガス導出手段）、３…水素ガス配管系（燃料ガス供給手段）、５…制御装置（空気オフガス導出制御手段）、１０…燃料電池、６１…三方弁（空気オフガス導出制御手段）、６２…暖房配管（空気オフガス導出制御手段）、Ｒ…車室（暖房対象室）。

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給手段と、
   前記燃料電池から排出される空気オフガスを案内する空気オフガス導出手段と、
   前記空気オフガス導出手段で案内される空気オフガスの少なくとも一部を暖房対象室内に直接排出可能にする空気オフガス導出制御手段と、を備える燃料電池システム。
2. 前記空気オフガス導出制御手段は、前記燃料電池の間欠運転時に、前記暖房対象室内に空気オフガスを直接排出する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記空気供給手段は、前記暖房対象室内に空気オフガスを直接排出する状態での空気ストイキを直接排出しない状態よりも高くする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記空気オフガス導出制御手段は、前記燃料電池の温度に基づいて、前記暖房対象室内への空気オフガスの直接排出の可否を判断する請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。

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