JP2009140872A - 燃料電池システム及びそれを備えた燃料電池車 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化及びコストアップを招くことなく、燃料電池の排熱を暖機に効率良く利用することが可能な燃料電池システム及びそれを備えた燃料電池車を提供する。
【解決手段】燃料電池を有する燃料電池システムであって、燃料電池からの酸化オフガスを外部に導く排気路７２に、重力方向上方へ向けて延在する分岐路１０１が接続され、分岐路１０１から排出される空気オフガスがアンダカバー１００内に送り込まれ、アンダカバー１００の内部あるいは周辺に配置された要暖機機器が暖められる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の排熱を利用して暖機する燃料電池システム及びそれを備えた燃料電池車に関する。

現在、酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムが提案され、実用化されている。

ところで、このような燃料電池システムにおいて、燃料ガスを燃焼させる燃焼器を設け、この燃焼器から排出される排ガスの熱によってケース内のスタックや補機を暖機する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−３２１４７号公報

しかしながら、上記の技術では、別個の燃焼器を設けなければならず、装備点数の増大による装置の大型化及びコストアップを招いてしまう。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、装置の大型化及びコストアップを招くことなく、燃料電池の排熱を暖機に効率良く利用することが可能な燃料電池システム及びそれを備えた燃料電池車を提供することを目的とする。

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、酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出される酸化オフガスが、暖機を要する要暖機機器に導かれ、これら要暖機機器が前記酸化オフガスによって暖められる。

この構成の燃料電池システムによれば、燃料電池から排出される酸化オフガスによって要暖機機器を暖めることができるので、別個の燃焼器を設ける場合と比較し、装置の大型化及びコストアップを招くことなく、燃料電池の排熱を暖機に効率良く利用することができる。

また、前記燃料電池からの酸化オフガスを外部に導く排気路に、使用状態にて重力方向上方へ向けて延在する分岐路が接続され、前記分岐路から排出される酸化オフガスによって前記要暖機機器が暖められるものでも良い。
この構成によれば、分岐路から排出される酸化オフガスによって要暖機機器を円滑に暖めることができる。また、分岐路が重力方向上方へ向けて延在しているので、分岐路からは、重力により水分が気液分離された状態の酸化オフガスを排出させることができる。

さらに、前記排気路には、前記燃料電池からの燃料オフガスを前記酸化オフガスに混合させて燃料ガス濃度を低減する希釈器が設けられ、前記分岐路は、前記希釈器の上流側に設けられていても良い。
この構成によれば、燃料オフガスが混合される前の酸化オフガスを暖機に用いることができる。

また、本発明の燃料電池車は、上記燃料電池システムを備え、前記燃料電池を駆動源の少なくとも一部として利用する燃料電池車であって、車両の底部に設けられたアンダカバー内に酸化オフガスが送り込まれる。

この構成の燃料電池車によれば、車両の底部に設けられたアンダカバー内（車両の底部とアンダカバーとの間）に酸化オフガスを送り込んで、アンダカバー内あるいはアンダカバー周辺に配置された要暖機機器を暖めることができる。

本発明の燃料電池システム及びそれを備えた燃料電池車によれば、装置の大型化及びコストアップを招くことなく、燃料電池の排熱を暖機に効率良く利用することができる。

まず、本発明に係る燃料電池車に搭載される燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは、燃料電池を駆動源の少なくとも一部として利用する燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、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の燃料電池システムへの適用も可能である。

図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータによって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。

燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ３を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

また、この排気路７２には、加湿器Ａ２１の下流側に、希釈器Ａ２２及び消音器Ａ２３が順に設けられている。希釈器Ａ２２には、後述するパージ流路７６が接続されており、このパージ流路７６から送り込まれる水素オフガスが空気オフガスに混合され、水素オフガス中の水素濃度が低減される。そして、空気オフガスと水素オフガスとが混合された排ガスは、消音器Ａ２３を通して外部に排出される。

燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

水素供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１が設けられている。水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料ガスのオフガス）として水素循環路７５に排出され、水素供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０が設けられている。

遮断弁Ｈ２１は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。遮断弁Ｈ２１は、制御部５０からの信号で駆動される。

水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって加湿器Ａ２１の下流側の排気路７２に設けられた希釈器Ａ２２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、及び冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。

燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両Ｓの駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両Ｓのアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

図２に示すように、排気路７２は、その端部近傍が、車両Ｓの底部１１０に設けられたアンダカバー１００内、すなわち、車両Ｓの底部１１０とアンダカバー１００との間に通されており、この排気路７２の端部近傍に設けられた希釈器Ａ２２及び消音器Ａ２３が、アンダカバー１００内に配置されている。
また、この排気路７２には、希釈器７２の上流側に、分岐路１０１が接続されている。この分岐路１０１は、重力方向上方へ向けて延在し、その開口端１０１ａがアンダカバー１００内に配置されている。

このように構成された燃料電池システム１では、燃料電池２０から排気路７２に送り込まれた空気オフガスの一部が、排気路７２の希釈器Ａ２２の上流にて、分岐路１０１内に流れ込み、この分岐路１０１の開口端１０１ａからアンダカバー１００内に排出される。
これにより、この燃料電池システム１では、アンダカバー１００内の空隙部における雰囲気、すなわち、車両Ｓの底部１１０とアンダカバー１００との間に形成された空隙部における雰囲気が燃料電池２０からの空気オフガスによって暖められ、このアンダカバー１００の内部に配置された希釈器Ａ２２、消音器Ａ２３、その他不図示の要暖気機器、あるいは当該アンダカバー１００の周辺に配置された各種の補機などの暖機を要する要暖機機器が暖められる。

以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１及びそれを備えた燃料電池車Ｓによれば、燃料電池２０から排出される空気オフガスによって要暖機機器を暖めることができるので、別個の燃焼器を設ける場合と比較し、装置の大型化及びコストアップを招くことなく、燃料電池２０の排熱を暖機に効率良く利用することができる。
また、分岐路１０１が重力方向上方へ向けて延在しているので、分岐路１０１からは、重力により水分が気液分離された状態の酸化オフガスを排出させることができる。

さらに、分岐路１０１が希釈器Ａ２２の上流側に設けられているので、水素オフガスが混合される前の空気オフガスを暖機に用いることができる。

なお、上記実施形態では、希釈器Ａ２２の上流側にて分岐させた分岐路１０１の開口端１０１ａをアンダカバー１００内に配置させたが、図３に示すように、分岐路１０１の開口端１０１ａを、補機などの暖機を要する要暖機機器１０２の近傍に配置しても良い。このようにすれば、分岐路１０１から排出される空気オフガスを要暖機機器１０２へ直接吹き付けて暖めることができる。

燃料電池車に搭載された燃料電池システムの構成図である。 燃料電池車における配管構造を説明する概略配管図である。 燃料電池車における他の配管構造を説明する概略配管図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２０…燃料電池、７２…排気路、１００…アンダカバー、１０１…分岐路、１０２…要暖機機器、１１０…底部、Ａ２２…希釈器、Ｓ…車両（燃料電池車）。

Claims (4)

1. 酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出される酸化オフガスが、暖機を要する要暖機機器に導かれ、これら要暖機機器が前記酸化オフガスによって暖められる燃料電池システム。
2. 前記燃料電池からの酸化オフガスを外部に導く排気路に、使用状態にて重力方向上方へ向けて延在する分岐路が接続され、
   前記分岐路から排出される酸化オフガスによって前記要暖機機器が暖められる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排気路には、前記燃料電池からの燃料オフガスを前記酸化オフガスに混合させて燃料ガス濃度を低減する希釈器が設けられ、
   前記分岐路は、前記希釈器の上流側に設けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備え、前記燃料電池を駆動源の少なくとも一部として利用する燃料電池車であって、
   車両の底部に設けられたアンダカバー内に酸化オフガスが送り込まれる燃料電池車。

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