JP2010080270A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡素で低コストな構造で、燃料電池から排出される酸化剤ガス（酸化剤ガスオフガス）からの動力回収ができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池２と、燃料電池に供給される酸化剤ガスが流れる供給流路１１と、燃料電池２から排出される酸化剤ガスオフガスが流れる排出流路１２と、燃料電池２を冷却するために冷媒が流れる冷却水路４１と、冷却水路４１に設けられ、冷媒を循環させるための原動機により駆動される循環ポンプポンプである主ウォータポンプ４２と、を備えた燃料電池システムにおいて、排出流路上に設けられ前記酸化剤ガスオフガスがもつエネルギーを動力として回収し、前記循環ポンプによる前記冷却水路内での冷媒の循環を補助する動力回収循環補助手段を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムの動力負荷の低減に関する。

燃料電池では、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、水素は燃料側電極の触媒の作用によって水素イオンと電子に分離され、分離された電子が外部負荷を移動し電力として取り出される。水素イオンは電解質膜を通して酸化剤極に移動し、酸化剤側電極の触媒の作用で水素イオンと外部の負荷を回ってきた電子と酸素が結合して水が生成される。

このような、燃料電池システムにおいては、制約されたスペースの中で効率的に発電を行なうために、酸化剤ガスとしての空気を空気圧縮機によって圧縮し、圧縮された空気が燃料電池に供給されるようになっているものが一般的に知られている。空気圧縮機は、燃料ガスの供給量又は発電量に基づいて必要空気量が算出され、この必要空気流量が供給されるように空気圧縮機を駆動するモータの回転速度が制御されている。そして空気の圧縮のために使用されたエネルギーの一部が燃料電池で電力に変換され、使用されなかったエネルギーの一部は、燃料電池の下流に排出される際に回収されて、システムのエネルギー消費の低減に充てられているものが一般的に知られている。

例えば特許文献１に記載されているものは、燃料電池スタック５２の空気室５５から排出される空気が、空気の排出用配管６６に配置された圧縮機５９と連結され、燃料電池スタック５２の下流で配管６６に配置された膨張機６０に導入される。そして膨張機６０で圧縮空気が膨張することによって動力の一部が回収され、圧縮機５９を駆動する電動機６２の消費電力が低減されるよう構成されている。また特許文献２に記載されているものは、燃料電池１から排出される空気が、空気の供給流路に配置された容積型圧縮機２４と連結され燃料電池１の下流で排出流路に配置されたタービン２７に導入される。そしてタービン２７を回転させ、機械エネルギーに変換され動力の一部が回収されて、容積型圧縮機２４の駆動力が低減されるよう構成されている。
特開２００３−８６２２４号公報 特開２００１−３５１６５５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術では、圧縮機５９と膨張機６０は連結されているため、燃料電池の空気排出ガス配管を膨張機６０に接続するためには圧縮機５９の本体近くに配管類を設置しなくてはならない。また特許文献２においても同様に、容積型圧縮機２４とタービン２７は連結されているため、燃料電池の空気排出ガスの配管をタービン２７に接続するためには容積型圧縮機２４の本体近くに配管類を設置しなくてはならず、特許文献１、特許文献２共に排出ガスの配管の場所が制約されてしまう。特に燃料電池車においては一般に空気の取り入れ口は車両の前部に、空気排出ガスの排出口は車の後部に設けられることが多く空気配管系が複雑になり、圧力損失増加や高コストを招く。また配管設置スペースも大きくなってしまう。さらに、高出力の燃料電池の場合には圧縮機に大出力が必要であり、よって圧縮機本体は大型で重くなり、動力回収機構も同等のトルク伝達が必要となり、大型で重くなるという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、簡素で低コストな構造で燃料電池から排出される酸化剤ガス（酸化剤ガスオフガス）からの動力回収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。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスが流れる供給流路と、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスオフガスが流れる排出流路と、前記燃料電池を冷却するために冷媒が流れる冷却水路と、前記冷却水路に設けられ、前記冷媒を循環させるための原動機により駆動される循環ポンプと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記排出流路上に設けられ前記酸化剤ガスオフガスがもつエネルギーを動力として回収し、前記循環ポンプによる前記冷却水路内での冷媒の循環を補助する動力回収循環補助手段を備えることである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記動力回収循環補助手段は、前記酸化剤ガスオフガスにより回転する羽根車を有し、前記羽根車の回転による回転エネルギーが前記循環ポンプまたは前記原動機に伝動されることである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記循環ポンプは前記冷媒を送り出す回転部材を有し、前記羽根車の回転する出力軸が前記循環ポンプの回転部材の回転軸に連結されていることである。

請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記原動機が回転軸を有する電動機であり、前記羽根車の回転する出力軸が前記電動機の前記回転軸に連結されていることである。

請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項２乃至請求項４のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記動力回収循環補助手段が前記酸化剤ガスオフガスの流れにより回転する風車で構成されていることである。

請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項２乃至請求項４のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記動力回収循環補助手段が、前記酸化剤ガスオフガスの圧力により回転するタービンで構成されていることである。

請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記冷却水路に前記循環ポンプと直列または並列に補助循環ポンプを配置し、前記補助循環ポンプが前記動力回収循環補助手段を備えることである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、酸化剤ガスオフガス排出流路上に動力回収循環補助手段を備えて動力回収を行なう。これによりシステム上使用頻度の低い循環ポンプの最大出力時には、動力回収循環補助手段で回収した動力を循環ポンプに付加し補助することによって最大出力を賄うことができる。よって循環ポンプは使用頻度の高い低出力時にあわせて低い定格で構成することが可能となり、小型、低コストとすることができる。また循環ポンプを小型化できるため、燃料電池周辺に自在に配置が可能であるためシステムが簡素化され、動力回収のための配管スペースも簡素化されシステムの小型化、低コスト化を図ることができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、動力回収循環補助手段は酸化剤ガスオフガスにより羽根車が回転することで酸化剤ガスオフガスのエネルギーを回転エネルギーに変えて回収し、回収した回転エネルギーを燃料電池周辺に配置できる循環ポンプまたは原動機に伝動することで循環ポンプまたは原動機の負荷を低減させ、スペースを取らずに簡易な構造で酸化剤ガスオフガスが持つエネルギーを効率よく利用できる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、循環ポンプは冷媒を送り出す回転部材を有し、羽根車の回転する出力軸が循環ポンプの回転部材の回転軸に連結されているため、酸化剤ガスオフガスにより回転する羽根車の回転エネルギーが効率よく循環ポンプの回転部材に伝わり酸化剤ガスオフガスが持つエネルギーを更に効率的に利用できる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、原動機が回転軸を有する電動機であり、羽根車の回転する出力軸が電動機の回転軸に連結されているために、酸化剤ガスオフガスにより回転する羽根車の回転エネルギーが効率よく電動機の回転する回転軸に伝わり酸化剤ガスオフガスが持つエネルギーを更に効率的に利用できる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、動力回収循環補助手段として排出流路を流れる酸化剤ガスオフガスによって風車が回転され動力が回収される。これにより簡素で低コストな構造で動力の回収が実現できる。

上記のように構成した請求項６に係る発明においては、動力回収循環補助手段として排出流路上に圧力を利用して駆動されるタービンが配置され、排出流路を流れる酸化剤ガスオフガスの圧力によってタービンが回転され動力が回収される。タービンは高速で回転できるので高効率で動力の回収ができ、よって一層の循環ポンプの小型化が図られる。

上記のように構成した請求項７に係る発明においては、冷却水路に循環ポンプと直列または並列に補助循環ポンプを配置し、補助循環ポンプが動力回収循環補助手段を備える。これにより別体で構成される動力回収循環補助手段と循環ポンプとの間には接続機構や減速装置を設ける必要が無く簡素な構成とすることができる。さらに循環ポンプは動力回収循環補助手段とは別体であるため自在に配置することができ、搭載設計の自由度が増すため、システムの低コスト化にも寄与する。

以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は、燃料電池システム１の構成図である。本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に適用できるが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化剤ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化剤ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、冷媒である水やオイル等を供給して燃料電池２と供給流路１１上の圧縮機１４を駆動するモータＭ１とを冷却する冷却水配管系５と、冷媒温度の検出データ等に基づいてシステムの運転条件を制御する制御装置７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。単セルは、イオン交換膜（例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等）からなる電解質の一方の面に酸化剤極（カソード）を有し、他方の面に燃料極（アノード）を有し、さらに酸化剤極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化剤ガス流路２ａに酸化剤ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。

酸化剤ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化剤ガスが流れる 供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化剤ガスオフガスが流れる排出流路１２とを有している。供給流路１１の下流端は酸化剤ガス流路２ａの上流端に連通し、排出流路１２の上流端は酸化剤ガス流路２ａの下流端に連通している。酸化剤ガスオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

供給流路１１には、上流から順番にエアクリーナ１３を介して酸化剤ガス（外気）を取り込む圧縮機１４と、圧縮機１４によって燃料電池２に圧送される酸化剤ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。加湿器１５は、供給流路１１を流れる低湿潤状態の酸化剤ガスと、排出流路１２を流れる高湿潤状態の酸化剤ガスオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化剤ガスを適度に加湿する。

排出流路１２には、上流から順番に燃料電池２内の酸化剤ガス圧力を検出する圧力センサＰ１と、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの背圧を調圧する調圧弁１６と、循環ポンプである主ウォータポンプ４２の原動機であって回転軸を有する電動機である駆動用モータＭ２と出力軸３８で連結され酸化剤ガスオフガスがもつエネルギーの一部を動力として回収するための動力回収循環補助手段である風車４０と、加湿器１５と、が設けられている。

調圧弁１６は、例えばステップモータで駆動されるバタフライ弁等で構成され、制御装置７に電気的に接続されている。調圧弁１６の弁開度は、制御装置７によって、任意の範囲で調整可能に構成されている。酸化剤ガスオフガスは排出流路１２を通過後、排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

風車４０は、気密に形成されたケーシング３４と、ケーシング３４に収容され回転支持されて酸化剤ガスオフガスの流れを受け回転される羽根車である回転翼３１と、回転翼３１の回転中心に連結される回転軸である出力軸３８とから構成される。回転翼３１は排出流路１２を通って、ケーシング３４内に流入する酸化剤ガスオフガスの流速に応じて力を受け出力軸３８周りに出力軸３８と一体で回転するよう形成される。出力軸３８はケーシング３４の隔壁を回動可能に気密に貫通される。貫通された出力軸３８は延在され、電動機である主ウォータポンプ４２の駆動用モータＭ２の回転軸を構成する。また出力軸３８は駆動用モータＭ２からさらに延在され、冷却水路４１に配置される主ウォータポンプ４２の後述する羽根車３６の回転軸を構成し、風車４０は、駆動用モータＭ２と主ウォータポンプ４２とに連結される。これにより風車４０を構成する回転翼３１の回転による回転エネルギーは駆動用モータＭ２と主ウォータポンプ４２に伝動される。なお、風車４０の回転翼３１は、主ウォータポンプ４２または主ウォータポンプ４２の駆動用モータＭ２と直接連結されなくてもよい。

燃料ガス配管系４は図１乃至図３に示すように、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される燃料ガスである水素ガスが流れる供給流路２２と、供給流路２２に設けられている上流から順番に元弁２６と、調圧弁２７と、遮断弁２８と、燃料電池２の燃料ガス流路２ｂと、水素オフガスが排出される排出流路２３とから構成されている。元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給流路２２に流出した水素ガスは、調圧弁２７で減圧され、遮断弁２８を経て、燃料電池２の燃料ガス流路２ｂに供給されたのち、未使用の水素ガスは水素オフガス排出流路２３を通り、図略の水素希釈器を介して大気に排出される。

冷却水配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃと、冷却流路２ｃの一端から圧縮機１４の駆動用モータＭ１内の図示しない冷却水経路を経過して冷却流路２ｃの他端に繋がる冷却水路４１と、冷却水路４１に配置され冷媒を送出するための主ウォータポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷媒の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。

冷却水路４１は、燃料電池２の冷却流路２ｃの入口近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷却流路２ｃの出口近傍に設けられた温度センサ４７と、を有している。温度センサ４７が検出する冷媒温度は、燃料電池２の内部温度（以下、燃料電池２の温度という。）を反映する。なお、本実施形態においては冷却水配管系５において、燃料電池２と、酸化剤ガスの圧縮機１４の駆動用モータＭ１とを、冷却水路４１内で直列に設けて冷却しているが、ラジエータをもう１つ設け、圧縮機１４を駆動するモータＭ１の専用の冷却用としての冷却水路を冷却水路４１とは別に設けてもよい。

循環ポンプである、例えば容積形の回転ポンプである主ウォータポンプ４２は、液密に形成されたケーシング３５と、ケーシング３５に収容され回転支持されて冷媒を送り出すための回転部材である羽根車３６と、上述した風車４０の羽根車である回転翼３１と、羽根車３６の回転軸であり回転翼３１の出力軸と兼用される出力軸３８とによって構成され、主ウォータポンプ４２の羽根車３６は出力軸３８によって連結される例えばＤＣモータである駆動用モータＭ２によって回転駆動される。

出力軸３８はケーシング３５の隔壁を回動可能に液密に貫通されている。駆動用モータＭ２は制御装置７に電気的に接続されている。主ウォータポンプ４２の羽根車３６の回転速度は、制御装置７によって駆動用モータＭ２の回転速度を変えることによって任意に調整可能に構成されている。主ウォータポンプ４２は、冷却水路４１内の冷媒を、燃料電池２と圧縮機１４の駆動用モータＭ１とラジエータ４３との間で循環供給する。

制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、運転の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置７は、酸化剤ガス配管系３に用いられる圧力センサＰ１、冷却水系統５に用いられる温度センサ（４６，４７）、燃料電池システム１が置かれる環境の外気温を検出する外気温センサ５１、並びに、車両のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ（図略）などの各種センサからの検出信号を入力し、燃料電池システム１の各構成要素（圧縮機１４の駆動用モータＭ１及び主ウォータポンプ４２の駆動用モータＭ２など）に制御信号を出力する。

次に第１の実施形態に係る通常運転時、即ち低負荷運転時におけるシステムの動作について、図１を参照しながら説明する。図１に示すように本燃料電池システム１を用いた車両において、図示しない電源が投入され、運転者が図示しないアクセルを踏むことにより、踏んだアクセル開度が図略のアクセル開度センサによって検出され、検出された値が制御装置７に送信される。

制御装置７は送信された検出データに基づき、燃料電池２での必要な発電量を導出し、導出された発電量に基づいて燃料電池２に供給すべき酸化剤ガスの供給量が導出される。

制御装置７は、導出された必要酸化剤ガス量データに基づき、圧縮機１４のモータＭ１の回転数を制御し、エアクリーナ１３を介して必要量の酸化剤ガスを燃料電池２の酸化剤極に供給する。そして酸化剤ガスは加湿器１５に導入され加湿されたのち燃料電池２の酸化剤極に供給される。供給流路１１を通って、燃料電池２の酸化剤極に供給された酸化剤ガスは水素極に供給された水素と交換膜を介して反応し発電される。

発電される燃料電池２内の温度は、図１に示す冷却水配管系５において、冷媒の流路である冷却水路４１の燃料電池２の出口近傍に設けられた温度センサ４７によって検出され、検出された信号が制御装置７に送信される。

制御装置７は送信された温度が所定温度（例えば８０℃）より低いときは、冷却水路４１上に設けられた三方弁である切替え弁４５を動作させてラジエータ４３を通る通路を遮断してラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４を開放し冷媒を燃料電池２に流し、循環のみさせる。

燃料電池２で反応され排出される酸化剤ガスオフガスは、燃料電池２内の酸化剤ガス流路２ａにおいては排出流路１２上に設けられた圧力センサＰ１で圧力を検出しながら調圧弁１６によって、通常運転に応じた比較的低い圧力で制御されている。そして調圧弁１６を通過したのち酸化剤ガスオフガスは排出流路１２上に設けられた風車４０の回転翼３１に作用して回転翼３１に回転力（回転エネルギー）を付加する。回転翼３１の出力軸３８は主ウォータポンプ４２を駆動させるモータＭ２の回転軸を構成しているためモータＭ２は酸化剤ガスオフガスから付与された回転力に相当する分の負荷が低減する。つまり風車４０は酸化剤ガスオフガスが持つ運動エネルギーから回転力（回転エネルギー）として動力を回収し、モータＭ２に与えることになる。

次に例えば車両が急な坂道を登るときなどのように使用頻度が比較的低い高負荷環境で走行を続けた場合、即ち、燃料電池２が高出力発電を行なう場合の第１の実施形態の作動について説明する。車両が高負荷環境で運転を行なうときは、通常運転時に比べ、より多くの酸化剤ガスを燃料電池２に圧送する必要があり、制御装置７によって圧縮機１４の回転数を上げて制御を行なう。

制御装置７は、導出された必要酸化剤ガス量データに基づき、圧縮機１４の駆動用モータＭ１の回転数を通常運転時より上げて制御し、エアクリーナ１３を介して必要量の酸化剤ガスを燃料電池２の酸化剤極に供給する。圧縮機１４から吐出された高圧縮の酸化剤ガスは、通常運転時より高い温度、例えば１３０℃を超える温度まで上昇する恐れがある。そして圧縮機１４から圧送された高温の酸化剤ガスは加湿器１５を介して若干降温され、燃料電池２の酸化剤極に導入される。

燃料電池２に導入された高温の酸化剤ガスによって発電される燃料電池２内の温度は、図１に示す冷却水配管系５において、冷媒の流路である冷却水路４１の燃料電池２出口近傍に設けられた温度センサ４７によって検出され、検出された信号が制御装置７に送信される。

制御装置７は送信された温度が所定温度（例えば８０℃）以上になったときには、燃料電池２を冷却する必要があると判定し、冷却水路４１上に設けられた三方弁である切替え弁４５を動作させてラジエータ４３を通る通路を開弁し、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４を遮断する。制御装置７は送信された温度に応じて主ウォータポンプ４２に連結される駆動用モータＭ２の回転数を上げて制御し、冷媒の流速を上げて冷却水路４１に流す。昇温された冷媒はラジエータ４３によって冷却され循環されて燃料電池２および圧縮機１４のモータＭ１を積極的に冷却する。

このとき燃料電池２で反応され排出される酸化剤ガスオフガスは、燃料電池２内の酸化剤ガス流路２ａにおいては調圧弁１６によって大出力運転に応じた比較的高い圧力で制御されている。そして酸化剤ガスオフガスは調圧弁１６を通過後に減圧され、減圧前の圧力に応じた通常運転時よりも高い流速で排出流路１２を通過する。これにより排出流路１２上で調圧弁１６の下流に設けられた風車４０の回転翼３１は、高い流速の酸化剤ガスオフガスの流れを受け、酸化剤ガスオフガスの流速に応じた回転力が風車４０の回転翼３１に与えられる。そして回転翼３１の出力軸３８と連結される主ウォータポンプ４２の駆動用モータＭ２を回転補助する。風車４０の回転翼３１の回転によって主ウォータポンプ４２の駆動力の一部が担われるため、主ウォータポンプ４２は通常より少ない電力で所望の回転数を得ることができる。このようにして酸化剤ガスオフガスから動力が回収され、低電力でも高定格のモータと同等の性能での運転を可能にする。

なお流速が大きくなることによるエネルギーの増加量は流速の３乗に比例するため、酸化剤ガスオフガスの流速が増す高出力運転時は高い効果が期待できる。ここで回収される動力について説明する。燃料電池２が最大出力の発電をする場合に必要な主ウォータポンプ４２の最大出力をＷｍａｘとして、酸化剤ガスオフガスから回収できる動力回収エネルギーをＷａ、主ウォータポンプ４２を駆動するモータＭ２の出力をＷｍとすると、風車４０と主ウォータポンプ４２を駆動するモータＭ２が連結されているため最大出力Ｗｍａｘは、下記（数１）式となる。

（数１）
Ｗｍａｘ＝Ｗｍ＋Ｗａ

したがって酸化剤ガスオフガスより得られる動力回収エネルギーＷａを必要な最大出力Ｗｍａｘより差し引いた出力Ｗｍが発生できるモータＭ２を備えた主ウォータポンプ４２を配置すればよいことになる。

上記の計算に基づいて実際の設計に当てはめてみる。燃料電池車等のように５０ｋＷ〜１００ｋＷの高出力発電の場合には、酸化剤ガスオフガスの動力はおよそ０．５〜１ｋＷであり、それらの約３０％を回収すれば、２００〜３００Ｗ程度の動力回収となる。最大出力５００Ｗの主ウォータポンプ４２が必要な場合には２００〜３００Ｗのモータ出力で済み、主ウォータポンプ４２を小型化できる。

なお、第１の実施形態においては、動力回収循環補助手段である風車４０を排出流路１２上において調圧弁１６の下流側に配置したが、調圧弁１６の上流側に配置してもよい。この場合、それぞれの配置位置においての酸化剤ガスオフガスの流速は異なるため、所望の回転数が得られる位置に配置してやればよい。

また、第１の実施形態においては、主ウォータポンプ４２と風車４０との間に駆動用モータＭ２を配置したが、これに限らず、主ウォータポンプ４２と風車４０とを連結し、主ウォータポンプ４２を中心として風車４０の対向側に駆動用モータＭ２を連結してもよい。これによっても第１の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、第１の実施形態においては、主ウォータポンプ４２は容積形の回転ポンプとし羽根車３６によって構成したが、これに限らず歯車を利用したギヤポンプや可動式のベーン（翼）を利用したベーンポンプを用いてもよい。また回転ポンプに限らず往復動によるポンプである、例えばピストンポンプ、プランジャポンプまたはダイアフラムポンプを用いてもよく、その際は、風車４０の羽根車である回転翼３１の回転運動を往復運動に変換して各ポンプと連結してやればよい。

また、駆動用モータＭ２は本実施形態のようにＤＣモータとは限らず、ＡＣモータや、ステッピングモータ等を用いてもよい。

上述の説明から明らかなように第１の実施形態においては、動力回収循環補助手段として、酸化剤ガスオフガスの排出流路１２上に風車４０を備えた。これによりシステム上使用頻度の低い最大出力時には、動力回収循環補助手段で回収した動力を主ウォータポンプ４２に付加し補助することによって賄うことができるため、主ウォータポンプ４２は使用頻度の高い低出力時にあわせた低定格で構成することが可能となり、小型、低コスト化を図ることができる。また小型化できるため、燃料電池周辺に自在に配置が可能である。よってシステムが簡素化され、動力回収のための配管スペースも簡素化されるためシステムの小型化、低コスト化を図ることができる。

また第１の実施形態においては、動力回収循環補助手段として、比較的回転速度がモータＭ２の回転と近似する風車４０によって動力回収を行なう。これにより主ウォータポンプ４２を駆動する駆動モータＭ２の回転制御に対して影響を及ぼす恐れがないため駆動モータＭ２と風車４０を出力軸３８で直結することが可能である。よって主ウォータポンプ４２と駆動モータＭ２との間に減速機や、クラッチ等を設ける必要がないので簡素な構成とすることができ、コスト低減を図ることができる。ただし仕様によっては出力軸３８の中間にクラッチ機構を設け、所望のときだけ連結する断続制御を行なってもよい。

次に本発明に係る第２の実施形態について図２に基づき説明する。第２の実施形態は、動力回収循環補助手段が酸化剤ガスオフガスの流れを利用して駆動される風車４０によって構成された第１の実施形態に対し、酸化剤ガスオフガスの圧力を利用して駆動され高速で回転されるタービン５０で構成される点が異なる。

第２の実施形態においては、排出流路１２を流通する酸化剤ガスオフガスの圧力エネルギーがタービン５０内で速度エネルギーに変換され、変換された速度エネルギーがタービン５０の羽根車であるタービン翼３２に作用しタービン翼３２を回転させ回転エネルギーとして動力回収するものである。以上の点が第１の実施形態との相違点であり、その他は第１の実施形態と同様であるため、同一部品については同一符号を付し説明は省略する。また作用についても同様部分についての説明は省略し変更点のみ説明する。

第２の実施形態においては、排出流路１２には、上流から順番に燃料電池２内の酸化剤ガス圧力を検出する圧力センサＰ１と、動力回収循環補助手段であるタービン５０と、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの背圧を調圧する調圧弁１６と、加湿器１５と、が設けられている。

タービン５０は気密に形成されたケーシング４９と、ケーシング４９に収容され、回転支持され酸化剤ガスオフガスの圧力により回転される羽根車であるタービン翼３２と、タービン翼３２の回転中心と連結される回転軸である出力軸５６ａとによって構成されている。タービン翼３２の出力軸５６ａは、ケーシング４９の隔壁を回動可能に気密に貫通され、減速機３０の入力側３０ａと連結されている。なお、減速機３０は、高速回転が可能であるタービン翼３２の回転数が駆動用モータＭ３の最高回転数を超え、制御に影響を与える恐れがあるため配置するものであり、その恐れがないよう構成すれば設けなくてもよい。

第１の実施形態と同様の構成の循環ポンプである主ウォータポンプ５２は、液密に形成されたケーシング６３と、ケーシング６３に収容され回転支持される冷媒を送り出すための回転部材である羽根車６４と、羽根車６４の回転中心に連結される回転軸である出力軸５６ｂとによって構成されている。羽根車６４の出力軸５６ｂはケーシング６３の隔壁を回動可能に液密に貫通され、延在されて減速機３０の出力側３０ｂに連結されている。

主ウォータポンプ５２を駆動するための原動機であって回転軸を有する電動機である駆動モータＭ３は主ウォータポンプ５２をはさんで減速機３０と対向側に配置され、出力軸５６ａ、５６ｂと同軸である回転軸６０によって主ウォータポンプ５２と液密に連結されている。これによりタービン５０を構成する羽根車であるタービン翼３２の回転による回転エネルギーは駆動用モータＭ３と主ウォータポンプ５２に減速機３０を介して伝動される。

次に例えば車両が急な坂道を登るときなどのように使用頻度が比較的低い高負荷環境で走行を続けた場合、即ち、燃料電池２が高出力発電を行なう場合の第２の実施形態の作動について説明する。第１の実施形態と同様に、高負荷環境においては、検出された燃料電池２の温度が所定温度（例えば８０℃）以上になったときには、制御装置７は、燃料電池２を冷却する必要があると判定する。そして制御装置７は冷却水路４１上に設けられた三方弁である切替え弁４５を動作させてラジエータ４３を通る通路を開弁し、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４を遮断する。制御装置７は送信された温度に応じて主ウォータポンプ５２の回転数を上げて制御し、冷媒の流速を上げて流して、ラジエータ４３によって冷却された大流量の冷媒によって燃料電池２および圧縮機１４のモータＭ１を積極的に冷却する。

このとき燃料電池２で反応され排出された酸化剤ガスオフガスは、大出力運転に応じた高い圧力で排出流路１２においてタービン５０の下流側に設けられた調圧弁１６によって制御されている。これによりタービン５０は酸化剤ガスオフガスの高い圧力を受け出力軸５６ａ周りにタービン翼３２が高速回転される。高速回転された出力軸５６ａは減速機３０によって減速されて出力軸５６ｂに出力され、主ウォータポンプ５２の羽根車６４に回転力を付加させる。これにより主ウォータポンプ５２をはさんで減速機３０と対向側に配置される主ウォータポンプ５２の駆動用モータＭ３を回転補助し負荷を軽減する。タービン５０のタービン翼３２の回転によって主ウォータポンプ５２の駆動力の一部が担われるため、主ウォータポンプ５２は通常より少ない電力で所望の回転数を得ることができる。このようにして酸化剤ガスオフガスから動力が回収され、低電力でも高定格のモータと同等の性能での運転を可能にする。

なお、第２の実施形態においては、動力回収循環補助手段であるタービン５０を排出流路１２上において調圧弁１６の上流側に配置したが、調圧弁１６の下流側に配置してもよい。この場合、それぞれの配置位置においての酸化剤ガスオフガスの圧力が異なり、それによってタービン翼３２の回転数も異なるため所望の回転数が得られるいずれかの位置に配置してやればよい。

また、第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様に主ウォータポンプ５２には容積形の回転ポンプではなく歯車を利用したギヤポンプや可動式のベーン（翼）を利用したベーンポンプを用いてもよい。また回転ポンプに限らず往復動によるポンプ、例えばピストンポンプ、プランジャポンプまたはダイアフラムポンプを用いてもよく、その際は、タービン５０の羽根車であるタービン翼３２の回転運動を往復運動に変換して各ポンプと連結してやればよい。

さらに駆動用モータＭ３はＤＣモータとは限らず、ＡＣモータや、ステッピングモータ等を用いてもよい。

上述の説明から明らかなように第２の実施形態においては、動力回収循環補助手段として、酸化剤ガスオフガスの排出流路１２上に高速回転可能なタービン５０を備えた。これにより、より高効率に動力の回収が可能となる。そしてシステム上使用頻度の低い最大出力時には、動力回収循環補助手段で回収した動力を主ウォータポンプ５２に付加して補助することによって賄うことができるため、主ウォータポンプ５２の駆動用モータＭ３は使用頻度の高い低出力時にあわせた低定格で構成することが可能となり、小型、低コスト化を図ることができる。また小型化できるため、燃料電池周辺に自在に配置が可能である。よってシステムが簡素化され、動力回収のための配管スペースも簡素化されシステムの小型化、低コスト化を図ることができる。

次に本発明に係る第３の実施形態について図３に基づき説明する。第３の実施形態においては、動力回収循環補助手段は、排出流路１２上に配置された風車５９と、冷却水路４１上に配置された補助循環ポンプである補助ウォータポンプ５８とが回転軸である出力軸６１で連結され構成されて、循環ポンプである主ウォータポンプ５３とは別体で設けられる。冷却水路４１において動力回収循環補助手段を構成する補助ウォータポンプ５８は、例えばＤＣモータである駆動用モータＭ４によって駆動される主ウォータポンプ５３と、直列または並列に並んで配置されている。なお主ウォータポンプ５３は第１の実施形態における主ウォータポンプ４２と同様の構造であり冷媒を送り出すための図略の羽根車によって構成される。以上の点が第１の実施形態との相違点であり、その他は第１の実施形態と同様であるため、同一部品については同一符号を付し説明は省略する。また作用についても同様部分についての説明は省略する。

第３の実施形態においては、排出流路１２には、上流から順番に燃料電池２内の酸化剤ガス圧力を検出する圧力センサＰ１と、燃料電池２に供給される酸化剤ガスの背圧を調圧する調圧弁１６と、動力回収循環補助手段を構成する風車５９と、加湿器１５と、が設けられている。

風車５９は、気密に形成されたケーシング６５と、ケーシング６５に収容され回転支持される羽根車である回転翼３３と、回転翼３３の回転中心に固定された回転軸である出力軸６１とによって構成される。出力軸６１は延在され冷却水路４１上に配置された補助循環ポンプである補助ウォータポンプ５８と連結されている。

補助ウォータポンプ５８は液密に形成されたケーシング６８と、ケーシング６８に収容され回転支持される冷媒を送り出すための回転部材である羽根車６７と、によって構成され、羽根車６７の回転中心と風車５９の出力軸６１とが連結されている。つまり出力軸６１は一端が風車５９のケーシング６５の隔壁を回動可能に気密に貫通され回転翼３３と連結され、他端が補助ウォータポンプ５８のケーシング６８の隔壁を回動可能に液密に貫通され羽根車６７と連結されている。これにより風車５９を構成する羽根車である回転翼３３の回転による回転エネルギーは補助ウォータポンプ５８の羽根車６７に伝動する。なお、風車５９の回転翼３３は、補助ウォータポンプ５８の羽根車６７と直接連結されなくてもよい。

次に燃料電池２が高出力発電を行なう場合の第３の実施形態の作動について説明する。第１、第２の実施形態と同様に、高負荷環境においては、制御装置７は検出された燃料電池２の温度が所定温度（例えば８０℃）以上になったときには、燃料電池２を冷却する必要があると判定する。そして制御装置７は冷却水路４１上に設けられた三方弁である切替え弁４５を動作させてラジエータ４３を通る通路を開弁し、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４を遮断する。制御装置７は送信された温度に応じて主ウォータポンプ５３に連結される駆動用モータＭ４の回転数を上げて制御し、冷媒の流速を上げて冷却水路４１に流す。大流量の昇温された冷媒はラジエータ４３によって冷却され循環されて燃料電池２および圧縮機１４のモータＭ１を積極的に冷却する。

このとき燃料電池２で反応され排出される酸化剤ガスオフガスは、燃料電池２内の酸化剤ガス流路２ａにおいては調圧弁１６によって大出力運転に応じた比較的高い圧力で制御されている。そして酸化剤ガスオフガスは調圧弁１６を通過後に減圧され、減圧前の圧力に応じた通常運転時よりも高い流速で排出流路１２を通過する。これにより排出流路１２上の調圧弁１６の下流に設けられた風車５９の回転翼３３は、高い流速の酸化剤ガスオフガスの流れを受け、酸化剤ガスオフガスの流速に応じた低負荷運転時に比べて高い回転数で回転されて風車５９の出力軸６１と連結される補助ウォータポンプ５８の羽根車６７を回転させ冷媒を送出し循環する。従って、運転時の負荷状況に応じて羽根車６７の回転数は変化し、負荷が大きくなるほど回転数は増加して冷媒の循環を促進する。これによって冷却水路４１において補助ウォータポンプ５８と直列または並列に配置された主ウォータポンプ５３の冷媒の循環を補助する。風車５９の回転翼３３の回転によって主ウォータポンプ５３の駆動力の一部が担われるため、主ウォータポンプ５３は通常より少ない電力で所望の回転数を得ることができる。このようにして酸化剤ガスオフガスから動力が回収され、低電力でも高定格のモータと同等の性能での運転を可能にする。

なお、第３の実施形態においては、動力回収循環補助手段である風車５９を排出流路１２上において調圧弁１６の下流側に配置したが、調圧弁１６の上流側に配置してもよい。この場合、それぞれの配置位置においての酸化剤ガスオフガスの流速が異なるため、所望の回転数が得られるいずれかの位置に配置してやればよい。

また、第３の実施形態においては、動力回収循環補助手段として風車５９を備えたが、これに限らず補助ウォータポンプ５８との間に減速機を介してタービン５０を備えてもよい。これにより、より高効率に動力の回収ができ一層の主ウォータポンプ５３の小型化が図られる。

さらに、第３の実施形態においては、補助ウォータポンプ５８は容積形の回転ポンプとし羽根車６７によって構成したが、これに限らず歯車を利用したギヤポンプや可動式のベーン（翼）を利用したベーンポンプを用いてもよい。また回転ポンプに限らず往復動によるポンプである、例えばピストンポンプ、プランジャポンプまたはダイアフラムポンプを用いてもよく、その際は、風車５９の羽根車である回転翼３３の回転運動を往復運動に変換して各ポンプと連結してやればよい。

また主ウォータポンプ５３も補助ウォータポンプ５８と同様にギヤポンプやベーンポンプ等を用いてもよい。

上述の説明から明らかなように第３の実施形態においては、動力回収循環補助手段として主ウォータポンプ５３とは別体で酸化剤ガスオフガスの排出流路１２上に風車５９を設けた。このように風車５９で回収した動力を用いて風車５９に回転連結される補助ウォータポンプ５８を回転させ冷媒を循環させ、循環させる動力を負担することで、主ウォータポンプ５３の負荷を軽減し動力を回収した。これによりシステム上使用頻度の低い最大出力時には、動力回収循環補助手段で回収した動力を主ウォータポンプ５３に付加することによって賄うことができるため、主ウォータポンプ５３は使用頻度の高い低出力時にあわせた低定格で構成することが可能となり、小型、低コスト化を図ることができる。また小型化できるため、燃料電池周辺に自在に配置が可能である。よってシステムが簡素化され、動力回収のための配管スペースも簡素化されシステムの小型化、低コスト化を図ることができる。

また、第３の実施形態においては、動力回収循環補助手段を、主ウォータポンプ５３と別体にて設けたことにより動力回収循環補助手段と主ウォータポンプ５３との間には複雑な接続機構や減速装置を設ける必要が無く低コストな構成とすることができる。また主ウォータポンプ５３を自在に配置することができ、搭載設計の自由度が増すため、システムの低コスト化にも寄与する。

なお、第１乃至第３の実施形態においては冷媒として水を使用したが、これに限らずシリコンオイルなどのオイル等を使用してもよい。

また、第１乃至第３の実施形態においては各主ウォータポンプ４２、５２、５３を駆動する原動機として回転軸を有する電動機である各駆動モータＭ２、Ｍ３、Ｍ４を用いた。しかし、これに限らず圧縮空気を利用し回転駆動する空気エンジンや、油圧を利用し回転駆動する油圧モータ等を用いてもよく、第１乃至第３の実施形態と同様の効果が期待できる。

第１の実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化剤ガス配管系、４…燃
料ガス配管系、５…冷却水配管系、７…制御装置、１１…供給流路、１２…排出流路、１４…圧縮機、１５…加湿器、１６…調圧弁、３０…減速機、３１…回転翼、３２…タービン翼、３３…回転翼、４０…風車、４１…冷却水路、４２、５２、５３…主ウォータポンプ（循環ポンプ）、４３…ラジエータ、４６…温度センサ、４７…温度センサ、５０…タービン、５８…補助ウォータポンプ（補助循環ポンプ）、５９…風車、Ｍ１…圧縮機の駆動モータ、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４…主ウォータポンプのモータ。

Claims (7)

1. 燃料極に燃料ガスを供給し、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される酸化剤ガスが流れる供給流路と、
   前記燃料電池から排出される酸化剤ガスオフガスが流れる排出流路と、
   前記燃料電池を冷却するために冷媒が流れる冷却水路と、
   前記冷却水路に設けられ、前記冷媒を循環させるための原動機により駆動される循環ポンプと、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記排出流路上に設けられ前記酸化剤ガスオフガスがもつエネルギーを動力として回収し、前記循環ポンプによる前記冷却水路内での冷媒の循環を補助する動力回収循環補助手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記動力回収循環補助手段は、前記酸化剤ガスオフガスにより回転する羽根車を有し、前記羽根車の回転による回転エネルギーが前記循環ポンプまたは前記原動機に伝動されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記循環ポンプは前記冷媒を送り出す回転部材を有し、前記羽根車の回転する出力軸が前記循環ポンプの回転部材の回転軸に連結されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記原動機が回転軸を有する電動機であり、前記羽根車の回転する出力軸が前記電動機の前記回転軸に連結されていることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２乃至請求項４のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記動力回収循環補助手段が前記酸化剤ガスオフガスの流れによ
   り回転する風車で構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２乃至請求項４のいずれか1項に記載の燃料電池システムにおいて、前記動力回収循環補助手段が、前記酸化剤ガスオフガスの圧力により回転するタービンで構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記冷却水路に前記循環ポンプと直列または並列に補助循環ポンプを配置し、前記補助循環ポンプが前記動力回収循環補助手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。

Images