JP2010218753A

JP2010218753A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010218753A
Application number: JP2009061322A
Authority: JP
Inventors: Haruhisa Niimi; 治久新美
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】燃料電池システムにおける騒音を低減し、エネルギー効率を向上させる。
【解決手段】酸化ガスを圧縮する圧縮機２２と、圧縮機２２から酸化ガスの供給を受ける燃料電池１０２と、圧縮機２２から出力される酸化ガスを燃料電池１０２へ供給する配管の途中に設けられ、筐体内部に格子状又はハニカム形状の整流板を備えた消音器２４と、を備える燃料電池システム１００とする。また、消音器２４の筐体外部に熱電変換素子を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料極に燃料ガス（水素ガス）を、酸化剤極に酸化ガス（空気）を供給することにより燃料ガスと酸化ガスとの電気化学的な反応を起こして電力を発生させる燃料電池システムが用いられている。このような燃料電池システムは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に適用されている。

このような燃料電池システムにおいては、燃料電池に酸化ガスである空気を送り込むための空気供給システムが設けられている。このような空気供給システムにおいて、空気圧縮機と燃料電池との間に、燃料電池への空気の流れを整流するための整流板を備えたディフューザを設ける構成が開示されている（特許文献１）。また、空気圧縮機と燃料電池との間に消音器や熱交換器を配置した空気供給システムが開示されている（特許文献２）。消音器は容積式とされている。

また、燃料電池からの排気の熱を熱電変換材料によって電気エネルギーに変換する技術が開示されている（特許文献３）。また、燃料電池への燃料ガスの供給ラインと燃料電池の冷却を行うための冷却水ラインとの間に熱電変換素子を設けて、温度差を利用して電気エネルギーを得る技術が開示されている（特許文献４）。

特開２００３−３６８７８号公報特開２００２−１１０２１３号公報特開２００７−４２４３７号公報特開２００６−２４４１８号公報

ところで、燃料電池システムに設けられた空気供給システムの空気圧縮機では断熱圧縮等により大流量の空気を供給する。空気圧縮機からは大量の空気が配管へ送り込まれるため、空気の流れに乱流が発生し、またその流速も速いために大きな気流音が発生する。

このような気流音を取り除くために消音器を設けた構成も開示されているが、防音材、防音カバー、高周波吸収型の大型消音器を設置しており、燃料電池システムの小型化及び低コスト化に対して問題がある。

また、燃料電池へ供給する空気の温度には上限値があり、燃料電池の入口ではその上限値以下の温度で空気を供給する必要がある。しかしながら、空気圧縮機における断熱圧縮によって供給される空気の温度が上昇するため、その温度を低減するインタークーラー等を設けることが必要とされている。

本発明は、上記課題を鑑み、新たな構成の燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、酸化ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から酸化ガスの供給を受ける燃料電池と、前記圧縮機から出力される酸化ガスを前記燃料電池へ供給する配管の途中に設けられ、筐体内部に格子状又はハニカム形状の整流板を備えた消音器と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、前記消音器の筐体外部に熱電変換素子が設けられていることが好適である。

また、前記消音器は、前記酸化ガスの入口から前記整流板までの少なくとも一部が径拡張するディフューザ構造を有することが好適である。

本発明によれば、燃料電池システムにおける騒音を低減できる。また、燃料電池システムにおける酸化ガスの熱を効率的に低減及び利用することができる。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。本発明の実施の形態における消音器の構成を示す図である。本発明の実施の形態における消音器の断面を示す図である。本発明の実施の形態における消音器の断面を示す図である。本発明の実施の形態における消音器の構成を示す図である。本発明の実施の形態における消音器の断面を示す図である。本発明の実施の形態における消音器の断面を示す図である。

本発明の実施の形態における燃料電池システム１００は、図１に示すように、燃料電池１０２、酸化ガス供給系システム１０４、燃料ガス供給系システム１０６及び冷却系システム１０８を含んで構成される。

燃料電池システム１００は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載され、駆動系システム１１０に接続される。駆動系システム１１０は、駆動モータ５０、エアコンプレッサモータ５２、昇圧コンバータ５４及び二次電池５６等を含んで構成されており、駆動モータ５０やエアコンプレッサモータ５２は燃料電池１０２からの電力により駆動可能に構成されている。

燃料電池１０２は、複数の単位セルを接続して構成される。各単位セルは、電解質層を挟み込むように空気極と燃料極とを配置し、さらにその積層体をセパレータで挟み込んだ構造を有する。空気極側のセパレータには酸化ガスが酸化ガス供給系システム１０４により供給される。酸化ガスは、例えば空気とされる。空気極側のセパレータと空気極との間には酸化ガスを流通させる流路が形成されており、これにより空気極に酸化ガスが供給される。また、燃料極側のセパレータには燃料ガスが燃料ガス供給系システム１０６により供給される。燃料ガスは、例えば水素ガスとされる。燃料極側のセパレータと燃料極との間には燃料ガスを流通させる流路が形成されており、これにより燃料極に燃料ガスが供給される。電解質層における電気化学的な反応によって、酸化ガスと燃料ガスとの間で電荷のやり取りが行われ、各単位セルにおいて電力が発生する。

燃料ガス供給系システム１０６は、燃料ガス用ポンプ１０を含んで構成され、燃料電池１０２へ燃料ガスを供給する。本実施の形態では、燃料ガス供給系システム１０６は従来の構成を適用できるので詳細な説明は省略する。

冷却系システム１０８は、ラジエータ１２、三方弁１４、ポンプ１６、イオン交換器１８等を含んで構成される。冷却系システム１０８は、燃料電池１０２における電気化学的な反応に伴って発生する熱を除去するために用いられる。ポンプ１６によって、燃料電池１０２の熱を奪った冷媒がラジエータ１２へ供給され、ラジエータ１２において冷媒が冷却されて燃料電池１０２へ再び供給されるという循環が行われる。三方弁１４は、ラジエータ１２へ流れる冷媒の流量を調整するために用いられる。また、冷媒はイオン交換器１８によって浄化される。本実施の形態では、冷却系システム１０８は従来の構成を適用できるので詳細な説明は省略する。

酸化ガス供給系システム１０４は、エアクリーナ２０、圧縮機２２、消音器２４、圧力調整器２６、バイパス弁２８及び排気側消音器３０を含んで構成される。エアクリーナ２０は、酸化ガス供給系システム１０４に導入される酸化ガス（空気）に含まれる微粒子や不純物を取り除くためのフィルタを含んで構成される。エアクリーナ２０において浄化された酸化ガスは圧縮機２２へ供給される。圧縮機２２は、モータによって駆動されるコンプレッサを含んで構成される。圧縮機２２により酸化ガスは断熱圧縮され、消音器２４を介して燃料電池１０２へ送り込まれる。燃料電池１０２に供給される酸化ガスの圧力及び流量は圧力調整器２６及びバイパス弁２８により調整される。また、燃料電池１０２から出力された酸化ガスは排気側消音器３０を介して排気される。

本実施の形態における消音器２４は、図２の断面図に示すように、筐体２４ａ及び整流板２４ｂを含んで構成される。筐体２４ａは、中空筒形状を有し、圧縮機２２と燃料電池１０２との間に配置され、消音器２４を通る酸化ガスの流路を構成する部材である。筐体２４ａは、熱伝導性が高い材料で構成することが好適である。例えば、銅、アルミニウム等の金属材料で構成することが好適である。また、筐体２４ａは酸化ガスの入口から整流板２４ｂが配置されている位置までの少なくとも一部が徐々に径が拡張されたディフューザ構造を有していることが好ましい。このとき、内部を流れる酸化ガスが壁面から剥離しない程度に筐体２４ａの径を徐々に拡張させることが好適である。

筐体２４ａの内部には整流板２４ｂが設置される。整流板２４ｂは、酸化ガスの流れに沿った方向に細管を束ねた構造とする。例えば、図３の断面図に示すように、格子状の細管を組み合わせて構成すればよい。また、図４の断面図に示すように、ハニカム形状の細管を組み合わせて構成してもよい。なお、図３及び図４は、図２におけるＡ−Ａラインに沿った断面図を示したものである。整流板２４ｂは、熱伝導性が高い材料で構成することが好適である。例えば、銅、アルミニウム等の金属材料で構成することが好適である。整流板２４ｂは、筐体２４ａのディフューザ構造の直後に配置することが好ましい。

このように整流板２４ｂを含む消音器２４を設けることによって、圧縮機２２によって断熱圧縮された酸化ガスの流れが整流され、消音器２４以降の酸化ガス供給系システム１０４における酸化ガスの流れの乱れが抑制される。これにより、燃料電池システム１００における騒音を低減することができる。また、筐体２４ａをディフューザ構造とすることによって、断熱圧縮された酸化ガスの旋回流を減衰させることができ、消音器２４の消音作用をより高めることができる。

また、本実施の形態における消音器２４は、図５の構成図及び図６，図７の断面図に示すように、さらに熱電変換素子２４ｃ及び昇圧コンバータ２４ｄを含んでもよい。なお、図６及び図７は、図５におけるＢ−Ｂラインに沿った断面図を示したものである。

熱電変換素子２４ｃは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する材料を含んで構成される素子である。例えば、２種類の異なる金属又は半導体を接合した熱電変換素子２４ｃを適用すればよい。このような熱電変換素子２４ｃとしては、ビスマス・テルル系（Ｂｉ−Ｔｅ系）、鉛・テルル系（Ｐｂ−Ｔｅ系）、シリコン・ゲルマニウム系（Ｓｉ−Ｇｅ系）等のゼーベック効果を利用した熱電対が挙げられる。このような熱電変換素子２４ｃを筐体２４ａの外周部に配置する。これによって、圧縮機２２によって断熱圧縮された酸化ガスの熱が整流板２４ｂ及び筐体２４ａを介して熱電変換素子２４ｃへ伝わり、筐体２４ａの外面の温度と筐体２４ａの周辺の温度の温度差によって熱電変換素子２４ｃに起電力が生じる。電気エネルギーに変換されなかった熱エネルギーは周囲に放熱される。

熱電変換素子２４ｃで発生した電力は昇圧コンバータ２４ｄに入力される。昇圧コンバータ２４ｄは、ＤＣ−ＤＣコンバータを含んで構成され、熱電変換素子２４ｃから出力される電圧を昇圧する。昇圧コンバータ２４ｄの出力は、例えば、駆動系システム１１０で利用される。すなわち、駆動モータ５０やエアコンプレッサモータ５２の駆動用の電力として、又は、二次電池５６の充電電力として用いられる。

このように消音器２４に熱電変換素子２４ｃを設けることによって、酸化ガスの圧縮断熱によって生じた熱を有効に利用することができる。これによって、燃料電池システム１００のエネルギー効率を向上させることができる。また、従来のようにガス温度を低減させるためのインタークーラーを用いる必要がなくなったり、小型化したりすることができる。

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Claims

酸化ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から酸化ガスの供給を受ける燃料電池と、
前記圧縮機から出力される酸化ガスを前記燃料電池へ供給する配管の途中に設けられ、筐体内部に格子状又はハニカム形状の整流板を備えた消音器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記消音器の筐体外部に熱電変換素子が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記消音器は、前記酸化ガスの入口から前記整流板までの少なくとも一部が径拡張するディフューザ構造を有することを特徴とする燃料電池システム。