JP2009117077A - 燃料電池システムを備える移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素富化装置を利用して、システムの構成が複雑になることを抑制することができる技術を提供する。
【解決手段】酸素富化ガスを空気から生成する酸素富化膜と燃料電池とを有する燃料電池システムを備える移動体において、空気を取り込む大気取込口２４０が、移動体の移動可能方向に向かって開口する。その結果、移動体の移動に伴い、酸素富化膜に掛かる空気の圧力が高くなるので、酸素富化膜によって供給される酸素量が増大する。従って、複雑な構成を用いずに、酸素が不足することを抑制できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムを備える移動体に関するものである。

従来より、酸素富化装置によって酸素富化になった空気を燃料電池の酸素極に供給する技術が知られている。例えば、圧力スイング吸着方式の窒素吸着層を設けた酸素富化装置を利用する技術が知られている。

特開２００５−１００９６７号公報 特開２００６−１４７２８４号公報 特開平１０−３２１２４９号公報

ところが、酸素富化装置を利用することに起因して、システムの構成が複雑になることが多かった。例えば、酸素富化装置の圧力を制御する装置が必要になる場合があった。このような問題は、圧力スイング吸着方式の窒素吸着層を有する酸素富化装置を利用する場合に限らず、種々のタイプの酸素富化装置を利用する場合に共通する問題であった。また、酸素を燃料電池の酸素極に供給する場合に限らず、燃料電池システムの種々の要素に酸素を供給する場合に共通する問題であった。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、システムの構成が複雑になることを抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］酸素濃度が高められた酸素富化ガスを空気から生成する酸素富化膜と燃料電池とを有する燃料電池システムを備える移動体であって、前記空気を取り込む大気取込口が、前記移動体の移動可能方向に向かって開口する、移動体。

この構成によれば、移動体の移動速度が速い場合には、酸素富化膜に掛かる空気の圧力が高くなるので、酸素富化膜によって供給される酸素量が増大する。従って、複雑な構成を用いずに、酸素が不足することを抑制できる。この結果、システムの構成が複雑になることを抑制することができる。

［適用例２］適用例１に記載の移動体であって、前記大気取込口を有するとともに前記酸素富化膜に前記空気を導入する導入部を備え、前記酸素富化ガスは前記燃料電池に供給される、移動体。

この構成によれば、移動体の移動速度が速い場合には、酸素富化膜から燃料電池に供給される酸素量が増大するので、複雑な構成を用いずに、燃料電池に供給される酸素が不足することを抑制できる。この結果、システムの構成が複雑になることを抑制することができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の移動体であって、前記大気取込口は、前記移動体の前進方向に向かって開口する、移動体。

この構成によれば、高速に移動する機会の多い前進方向に向かって大気取込口が開口しているので、複雑な構成を用いずに、酸素が不足することを抑制できる。この結果、システムの構成が複雑になることを抑制することができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の移動体であって、前記酸素富化ガスと、前記酸素富化膜を介さずに取り込んだ空気とを前記燃料電池に圧送するコンプレッサを備える、移動体。

この構成によれば、酸素富化ガスと、酸素富化膜を介さずに取り込んだ空気とがコンプレッサによって燃料電池に供給されるので、複雑な構成を用いずに、燃料電池に供給される酸素が不足することを抑制できる。この結果、システムの構成が複雑になることを抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池を備える移動体、その移動体の制御方法または制御装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、等の態様で実現することができる。

次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：

Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムを示す説明図である。燃料電池システム９００は、燃料電池スタック１００と、酸素富化装置２００と、コンプレッサ３００とを備えている。燃料電池スタック１００は、複数の発電モジュール（図示せず）を積層したスタック構造を有している。各発電モジュールは、アノードとカソードとを有している（図示せず）。

燃料電池スタック１００には、酸素を含むガス（カソードガスとも呼ぶ）をカソード（図示せず）に供給するカソードガス流路１２０と、カソードからの排ガスを排出するカソード排ガス流路１３０とが接続されている。

カソードガス流路１２０は、コンプレッサ３００を通過した後に、酸素富化ガス流路１２２と空気流路１２４との合流部に到達する。酸素富化ガス流路１２２は、酸素富化装置２００に接続されている。後述するように、酸素富化装置２００によって酸素富化ガスＯＧが生成される。生成された酸素富化ガスＯＧは、酸素富化ガス流路１２２を通ってカソードガス流路１２０に供給される。一方、空気流路１２４の上流側の端は、大気に連通する開口１２６を形成する。開口１２６から取り込まれた空気は、空気流路１２４を通ってカソードガス流路１２０に供給される。コンプレッサ３００は、これらの流路１２２、１２４を通じて取り込んだガスを加圧し、加圧ガスをカソードガスとして燃料電池スタック１００に供給する。このように、酸素富化装置２００からの酸素富化ガスＯＧに加えて、開口１２６から取り込まれた空気がコンプレッサ３００によって燃料電池スタック１００に供給される。その結果、コンプレッサ３００の駆動力（例えば、回転速度）を過剰に大きくせずに、酸素不足を抑制することができる。

カソード排ガス流路１３０の下流側の端は、大気に連通する開口１３２を形成する。カソード排ガス流路１３０の途中には、圧力センサ３１０と圧力調整バルブ３１２とが設けられている。燃料電池スタック１００内のカソードでの圧力は、コンプレッサ３００の駆動力と、圧力調整バルブ３１２の開度とを制御することによって、調整される。なお、カソード排ガス流路１３０の構成としては、任意の構成を採用可能である。例えば、カソード排ガス流路１３０の途中に気液分離器を設け、排ガスに含まれる液体（例えば、水）を分離してもよい。

酸素富化装置２００は、筐体２１０と、筐体２１０の内部に設けられた空気室ＡＣと通過ガス流路ＴＦと、空気室ＡＣと通過ガス流路ＴＦとの間を仕切る酸素富化膜ＯＭと、空気室ＡＣと大気とを連通する排気口２２０とを有している。通過ガス流路ＴＦには、酸素富化ガス流路１２２が接続され、空気室ＡＣには、空気導入路２３０が接続されている。空気導入路２３０の一端は筐体２１０（空気室ＡＣ）に接続され、他端は、大気に連通する開口２４０（以下「大気取込口２４０」とも呼ぶ）を形成する。この大気取込口２４０から取り込まれた空気は、空気導入路２３０を介して空気室ＡＣに導入される。

酸素富化膜ＯＭは、空気中の酸素を、他の成分の少なくとも一部（例えば、窒素）よりも優先的に透過する膜である。このような酸素富化膜ＯＭとしては、周知の種々の膜を採用可能であり、例えば、シリコン樹脂の薄膜を採用可能である。空気室ＡＣに導入された空気の一部が酸素富化膜ＯＭを通過することによって、通過ガス流路ＴＦに元の空気よりも酸素濃度の高い酸素富化ガスＯＧが生じる。この酸素富化ガスＯＧは、酸素富化ガス流路１２２を通ってカソードガス流路１２０に供給される。一方、空気室ＡＣには、元の空気よりも酸素濃度の低い（窒素濃度の高い）ガスが残留する。この残留ガスは、大気取込口２４０から取り込まれた空気によって、排気口２２０を介して外に押し出される。

なお、本実施例では、大気取込口２４０から取り込まれた空気は、空気導入路２３０と空気室ＡＣとを介して酸素富化膜ＯＭに導入される。このように、空気導入路２３０と空気室ＡＣとの全体が、特許請求の範囲における「導入部」に相当する。

なお、図１では図示が省略されているが、燃料電池システム９００は、さらに、水素を含むガスであるアノードガスを燃料電池スタック１００のアノードに供給するアノードガス供給部を備えている。アノードガス供給部としては、種々の装置を採用可能である。例えば、水素タンクを利用する装置や、改質器を利用する装置を採用可能である。

図２は、燃料電池システム９００を搭載した車両１０００を示す概略図である。図２（Ａ）は、車両１０００の側面図を示し、図２（Ｂ）は、車両１０００の上面図を示している。図２（Ｂ）は、車両１０００の前進方向ＦＤ側の一部分を示している。

この車両１０００は、いわゆる電気自動車である。車両１０００は、上述した燃料電池システム９００を備えている。車両１０００の駆動用モータ（図示せず）は、この燃料電池システム９００によって供給された電力によって駆動される。

図２（Ａ）、２（Ｂ）には、燃料電池システム９００の一部の要素の配置例が示されている。本実施例では、燃料電池スタック１００は、車両１０００の前方空間ＦＳ内に搭載されている。この前方空間ＦＳは、いわゆるフロントエンジン車のエンジンルームに相当する空間である。燃料電池スタック１００の上部には、酸素富化装置２００とコンプレッサ３００とが搭載されている。燃料電池スタック１００の前方には、ラジエータ４００が搭載されている。このラジエータ４００は、車両１０００の種々の要素（例えば、燃料電池スタック１００や、図示しない客室やモータ）の冷却に利用される。

空気導入路２３０は、酸素富化装置２００から車両１０００の前端まで延びている。そして、大気取込口２４０は、車両１０００の前端に設けられている。同様に、空気流路１２４は、酸素富化ガス流路１２２との合流部分（燃料電池スタック１００の上部）から車両１０００の前端まで延びている。そして、開口１２６は、車両１０００の前端に設けられている。車両１０００の前進時には、２つの開口１２６、２４０と、ラジエータ４００とのそれぞれは、前方から後方へ流れる走行風を受ける。

２つの開口１２６、２４０と、ラジエータ４００とのそれぞれは、車両１０００の前方から見て互いに重ならないように配置されている。具体的には、各開口１２６、２４０は、ラジエータ４００の上部に配置されている。また、車両１０００の前方から見て、開口２４０はラジエータ４００の左側（図２（Ｂ）の上側）に配置され、開口１２６はラジエータ４００の右側（図２（Ｂ）の下側）に配置されている。これらの結果、２つの開口１２６、２４０と、ラジエータ４００とのそれぞれは、互いに邪魔することなく走行風を受けることができる。

また、図２（Ａ）、２（Ｂ）に示すように、大気取込口２４０は、車両１０００の前進方向ＦＤに向かって開口している。従って、車両１０００の前進に伴って、走行風（空気）が大気取込口２４０から取り込まれ、取り込まれた空気が空気室ＡＣに導入される。その結果、空気室ＡＣ内の圧力ＲＰが上昇する。このような走行風に起因して生じる圧力はラム圧とも呼ばれる。なお、この圧力ＲＰは、酸素富化膜ＯＭに掛かる空気の圧力を表している。

図３は、圧力ＲＰと車速Ｖとの関係を示すグラフである。横軸は車速Ｖを示し、縦軸は圧力ＲＰを示している。よく知られているように、車速Ｖが速いほど圧力ＲＰは高くなる。

図４は、酸素量ＯＡと車速Ｖとの関係を示すグラフである。横軸は車速Ｖを示し、縦軸は酸素量ＯＡを示している。酸素量ＯＡは、酸素富化膜ＯＭ（図１）を透過する酸素の単位時間当たりの量（例えば、モル数／ｍｉｎ）を意味している。上述したように、車速Ｖが速いほど、酸素富化膜ＯＭに掛かる空気の圧力ＲＰが高くなる。そして、圧力ＲＰが高いほど、酸素富化膜ＯＭに掛かる酸素分圧も高くなるので、酸素富化膜ＯＭにおける酸素の通過が促進されて、酸素量ＯＡも多くなる。その結果、図４に示すように、車速Ｖが速いほど酸素量ＯＡは多くなる。このように、車速Ｖが速いほど、酸素富化装置２００によって供給される酸素量ＯＡは多くなる。

図５は、カソードガス流量ＣＦと車速Ｖとの関係を示すグラフである。横軸は車速Ｖを示し、縦軸はカソードガス流量ＣＦを示している。カソードガス流量ＣＦは、燃料電池スタック１００（図１）での発電に要求される酸素量に相当するカソードガスの単位時間当たりの流量（例えば、ｍ³／ｍｉｎ）を意味している。一般に、車速Ｖが速いほど、その車速Ｖの維持に要する動力（燃料電池システム９００の負荷）が大きくなる。すなわち、車速Ｖが速いほど、燃料電池システム９００に要求される発電電力が大きくなる。その結果、車速Ｖが速いほど、発電に要求される酸素量（すなわち、カソードガス流量ＣＦ）も多くなる。

図５には、２つのグラフＡ１、Ａ２が示されている。第１グラフＡ１は、本実施例におけるグラフを示し、第２グラフＡ２は、酸素富化装置２００を利用しない比較例のグラフを示している。この比較例では、開口１２６から取り込まれた空気によってカソードガスの全てが賄われる。

各グラフＡ１、Ａ２では、車速Ｖが速いほどカソードガス流量ＣＦが多い。ただし、第１グラフＡ１では、第２グラフＡ２と比べて、同じ車速Ｖに対するカソードガス流量ＣＦが小さい（特に、車速Ｖが速い場合）。この理由は、以下の通りである。本実施例では、酸素濃度が高められた酸素富化ガスＯＧが酸素富化装置２００によって供給される。すなわち、酸素富化ガスＯＧ中の酸素以外の成分（例えば窒素）の濃度は低減している。従って、発電に利用される酸素量が同じ場合には、他の成分の濃度が低減した分だけカソードガス流量ＣＦも低減する。なお、図４で説明したように、酸素富化装置２００によって供給される酸素量ＯＡは、車速Ｖが速いほど多い。従って、カソードガス流量ＣＦの低減の効果は、車速Ｖが速いほど顕著である。

図６は、動力損失ＰＬと車速Ｖとの関係を示すグラフである。横軸は車速Ｖを示し、縦軸は動力損失ＰＬを示している。一般に、車速Ｖが速いほど、その車速Ｖの維持に要する動力が大きくなる。その結果、車速Ｖが速いほど、動力損失ＰＬも大きくなる（例えば、コンプレッサ３００の駆動力の増大に起因して動力損失が増大する）。

図６には、２つのグラフＰ１、Ｐ２が示されている。第１グラフＰ１は、本実施例におけるグラフを示し、第２グラフＰ２は、上述の比較例でのグラフを示している。各グラフＰ１、Ｐ２では、車速Ｖが速いほど動力損失ＰＬが大きい。ただし、第１グラフＰ１では、第２グラフＰ２と比べて、同じ車速Ｖに対する動力損失ＰＬが小さい（特に、車速Ｖが速い場合）。この理由は、以下の通りである。図５に示すように、比較例と比べて、本実施例では、同じ車速Ｖに対するカソードガス流量ＣＦが低減する。従って、同じ車速Ｖに対するコンプレッサ３００の駆動力を低減することが可能である。この駆動力の低減に起因して、動力損失ＰＬの低減が可能となる。

なお、図２（Ａ）、２（Ｂ）に示すように、開口１２６も、車両１０００の前進方向ＦＤに向かって開口している。従って、車両１０００の前進に伴って、走行風（空気）が開口１２６から取り込まれ、取り込まれた空気が空気流路１２４に導入される。その結果、コンプレッサ３００は、過剰な駆動力を用いずに、開口１２６から空気を取り込むことが可能である。

以上のように、本実施例では、酸素富化装置２００によって酸素濃度の高められた酸素富化ガスＯＧが燃料電池スタック１００に供給されるので、酸素が不足することを抑制できる。特に、酸素富化装置２００（酸素富化膜ＯＭ）に導入される空気を取り込む開口２４０が前進方向ＦＤに向かって開口しているので、車速Ｖが速い場合に、酸素富化膜ＯＭに掛かる圧力ＲＰが高くなり、そして、多量の酸素が燃料電池スタック１００に供給される。これらの結果、燃料電池システム９００の負荷が大きい高速移動時であっても、複雑な構成を用いずに酸素が不足することを抑制できる。

Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

変形例１：
上述の各実施例において、酸素富化膜ＯＭとしては、空気中の酸素を、他の成分の少なくとも一部（例えば、窒素）よりも優先的に透過する種々の膜を採用可能である。例えば、シリコン樹脂の膜を採用してもよく、また、特開２００１−７９３７５号公報や特開２００１−９２４９号公報に記載されたものを採用してもよい。また、酸素富化膜ＯＭの形態としても、平膜や中空糸膜等の種々の形態を採用可能である。

変形例２：
上述の各実施例において、大気取込口２４０の形態としては、図２（Ａ）、２（Ｂ）に示す形態に限らず、種々の形態を採用可能である。例えば、車両１０００における大気取込口２４０の位置としては、任意の位置を採用可能である。燃料電池スタック１００の上部を採用してもよく、車両１０００の最上部を採用してもよい。また、大気取込口２４０の形状としても、丸や矩形等の種々の形状を採用可能である。

変形例３：
上述の各実施例において、大気取込口２４０の向きが、前進方向ＦＤと厳密に一致している必要はない。一般には、大気取込口２４０が前進方向ＦＤに向かって開口していることが好ましい。ここで、「大気取込口２４０が或る方向に向かって開口している」とは、大気取込口２４０が、その或る方向の逆方向に沿って吹く走行風（空気）を大気取込口２４０内に取り込むことができることを意味している。このように大気取込口２４０が或る方向に向かって開口している場合には、通常は、その或る方向の逆方向に沿って大気取込口２４０を見たときに、大気取込口２４０の内部の少なくとも一部が視認可能である。例えば、大気取込口２４０の縁を含む平面の垂線（大気取込口２４０の向きに相当する）が、前進方向ＦＤから４５度傾斜している場合にも、大気取込口２４０は前進方向ＦＤに向かって開口しているということができる。いずれの場合も、大気取込口２４０が前進方向ＦＤに向かって開口する場合には、前進方向ＦＤに向かう車両１０００の移動に起因して、車両１０００の停止時よりも高い圧力（ラム圧）が酸素富化膜ＯＭに掛かる。従って、多くの酸素を燃料電池に供給することができる。

なお、大気取込口２４０は、前進方向ＦＤに限らず、車両１０００の種々の移動可能方向（例えば、後退方向）に向かって開口してよい。ただし、高速に移動する機会の多い前進方向ＦＤに向かって大気取込口２４０が開口すれば、複雑な構成を用いずに、酸素不足を抑制することができる。

変形例４：
上述の各実施例において、酸素富化装置２００の構成としては、図１に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、空気導入路２３０を省略してもよい。この場合には、筐体２１０（空気室ＡＣ）に直接に大気取込口を設ければよい。一般には、酸素富化装置２００は、大気取込口２４０から取り込まれた空気を酸素富化膜ＯＭに導入する導入部を有することが好ましい。こうすれば、大気取込口２４０から取り込まれた空気によって導入部内の圧力が高められるので、酸素富化膜ＯＭに掛かる圧力を容易に高めることができる。このような導入部としては、空気室ＡＣを有するものに限らず、大気取込口２４０を介して酸素富化膜ＯＭと大気とを連通する種々のガス流路を採用可能である。ただし、このような導入部を省略してもよい。例えば、大気取込口２４０に直接に酸素富化膜ＯＭを張ってもよい。

また、酸素富化ガスＯＧの用途としては、カソードガスとしての用途に限らず、他の種々の用途を採用可能である。例えば、燃料電池システムの中には、燃料電池や改質器の昇温のために燃料を燃焼する燃焼器を有するものがある。ここで、燃焼器に供給する酸素として酸素富化ガスＯＧを利用してもよい。

変形例５：
上述の各実施例において、燃料電池システム９００の構成としては、図１に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、空気流路１２４を省略してもよい。また、コンプレッサ３００を省略してもよい。

変形例６：
上述の各実施例において、燃料電池の種類としては種々の種類を採用可能である。例えば、固体高分子電解質型や、固体酸化物電解質型や、リン酸電解質型や、アルカリ水溶液電解質型や、溶融炭酸塩電解質型を採用可能である。

変形例７：
上述の各実施例において、車両１０００の構成としては、図２に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、ラジエータ４００を省略してもよい。また、燃料電池スタック１００を、車両１０００の後部に搭載してもよい。

変形例８：
燃料電池システム９００を備える移動体としては、自動車に限らず、種々の移動体を採用可能である。例えば、電車（列車）や、リニアモーターカーや、船舶や、航空機を採用可能である。また、大気取込口２４０の向きは可変であってもよい。例えば、大気取込口２４０が移動体の移動方向を向くように、移動体の移動方向の変化に従って大気取込口２４０の向きを変更してもよい。

本発明の一実施例としての燃料電池システムを示す説明図である。 燃料電池システム９００を搭載した車両１０００を示す概略図である。 圧力ＲＰと車速Ｖとの関係を示すグラフである。 酸素量ＯＡと車速Ｖとの関係を示すグラフである。 カソードガス流量ＣＦと車速Ｖとの関係を示すグラフである。 動力損失ＰＬと車速Ｖとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１００…燃料電池スタック
１２０…カソードガス流路
１２２…酸素富化ガス流路
１２４…空気流路
１２６…開口
１３０…カソード排ガス流路
１３２…開口
２００…酸素富化装置
２１０…筐体
２２０…排気口
２３０…空気導入路
２４０…大気取込口
３００…コンプレッサ
３１０…圧力センサ
３１２…圧力調整バルブ
４００…ラジエータ
９００…燃料電池システム
１０００…車両
ＡＣ…空気室
ＦＤ…前進方向
ＣＦ…カソードガス流量
ＴＦ…通過ガス流路
ＯＧ…酸素富化ガス
ＯＭ…酸素富化膜
ＦＳ…前方空間

Claims (4)

1. 酸素濃度が高められた酸素富化ガスを空気から生成する酸素富化膜と燃料電池とを有する燃料電池システムを備える移動体であって、
   前記空気を取り込む大気取込口が、前記移動体の移動可能方向に向かって開口する、
   移動体。
2. 請求項１に記載の移動体であって、
   前記大気取込口を有するとともに前記酸素富化膜に前記空気を導入する導入部を備え、
   前記酸素富化ガスは前記燃料電池に供給される、
   移動体。
3. 請求項１または請求項２に記載の移動体であって、
   前記大気取込口は、前記移動体の前進方向に向かって開口する、
   移動体。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の移動体であって、
   前記酸素富化ガスと、前記酸素富化膜を介さずに取り込んだ空気とを前記燃料電池に圧送するコンプレッサを備える、
   移動体。

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