JP2012221657A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】オフガスからのエネルギーの回収量を増加させて、運転効率を高めることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸化剤供給路１１に酸化剤ガスを送出するコンプレッサ４０と、酸化剤排出路１２から排気されるオフガスにより駆動され、コンプレッサ４０に動力を伝達するエキスパンダ４２とを備えた燃料電池システムにおいて、酸化剤供給路１１及び酸化剤排出路１２の途中に接続されて、酸化剤供給路１１を流通する酸化剤ガスからの熱により、酸化剤排出路１２を流通するオフガスを加熱する熱交換器３０と、熱交換器３０と燃料電池１０との間の酸化剤供給路１１及び酸化剤排出路１２の途中に接続され、酸化剤排出路１２を流通するオフガス中の水分により酸化剤供給路１１を流通する酸化剤ガスを加湿する加湿器２０とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池のオフガスからエネルギーを回収するエキスパンダを備えた燃料電池システムに関する。

従来より、燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されるオフガスにより駆動されるエキスパンダを、燃料電池に空気（酸化剤ガス）を送出するコンプレッサと同軸に設けることにより、オフガスのエネルギーを回収するようにした構成が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

こうした構成によれば、燃料電池システムとしてのエネルギー効率が向上する。また、コンプレッサから送出されて燃料電池に導入される前の空気から熱を得て、エキスパンダ前のオフガスに熱を与えることにより、高温過ぎる空気が燃料電池に供給されるのを防ぐと共に、エネルギー回収をより進める構成が提案されている（例えば、特許文献３参照）。一方、燃料電池が適切に加湿されていることは、燃料電池を効率的に作動させる上で重要である。そこで、加湿器を設ける際には、その機能を常に発揮できるよう配慮して配置する必要がある。

特許第２７４３１４７号公報 特開２００１−３５１６５９号公報 米国特許第７２７６３０８号公報

上述した従来の燃料電池システムによれば、オフガスのエネルギーを回収することによって、燃料電池システムの運転効率を高めることができるが、エネルギーの回収量をさらに高めることが要望されている。

本発明はかかる背景を鑑みてなされたものであり、オフガスからのエネルギーの回収量を増加させると共に、継続して適切に加湿することで効率的に運転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。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、燃料電池と、燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極からオフガスが排出される酸化剤排出路と、前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを送出するコンプレッサと、前記酸化剤排出路から排気されるオフガスにより駆動され、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダとを備えた燃料電池システムの改良に関する。

そして、前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続され、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスからの熱により、前記酸化剤排出路を流通するオフガスを加熱する熱交換器と、前記熱交換器と前記カソード極間の前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続され、前記酸化剤排出路を流通するオフガス中の水分により、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスを加湿する加湿器とを備えたことを特徴とする（第１発明）。

第１発明によれば、前記熱交換器により、前記コンプレッサでの加圧に伴い温度が上昇した酸化剤ガスからの熱によって、前記酸化剤排出路を流通するオフガスを加熱することにより、前記酸化剤排出部から前記エキスパンダへのオフガスの供給圧力が上昇する。そのため、前記エキスパンダで回収されるエネルギーを増加させて、前記燃料電池の運転効率を高めることができる。また、前記熱交換器によって、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスが吸熱されて温度が低下したのち、前記加湿器を通り、燃料電池に供給される。これにより、前記加湿器及び燃料電池に高温過ぎる酸化剤ガス供給されることを防止でき、継続して加湿器の機能を指示しつつ適切に燃料電池加湿して効率の良い運転を続けることができる。また、供給する酸化剤ガス用の冷却器を別途設ける必要もない。

また、第１発明において、前記酸化剤供給路において前記熱交換器をバイパスする熱交換バイパス路と、前記熱交換バイパス路を開閉する熱交換バイパス弁と、前記燃料電池の運転状況に応じて、前記熱交換バイパス弁を開閉するバイパス制御部とを備えたことを特徴とする（第２発明）。

第２発明によれば、前記燃料電池の運転状況に応じて、前記熱交換バイパス弁を開閉することにより、前記燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスの温度を調節することができ、より効率的な燃料電池の運転状況を設定することができる。

また、第２発明において、前記熱交換バイパス路の前記熱交換バイパス弁の下流側の箇所と、前記酸化剤供給路の前記加湿器の下流側の箇所とを連通する加湿バイパス路と、前記加湿バイパス路を開閉する加湿バイパス弁とを備え、前記バイパス制御部は、前記燃料電池の運転状況に応じて、前記加湿バイパス弁を開閉することを特徴とする（第３発明）。

第３発明によれば、前記燃料電池の運転状況に応じて、前記加湿バイパス弁を開閉することにより、前記燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスの温度を調節することができ、より効率的な燃料電池の運転方法を設定することができる。。

また、第３発明において、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度センサと、前記加湿器から前記酸化剤供給路を介して前記カソード極に供給される酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度センサとを備え、前記バイパス制御部は、前記燃料電池が発電運転を開始したときに、前記燃料電池温度センサの検出温度が第１所定温度以下であるときは、前記燃料電池温度センサの検出温度が、該第１所定温度以上に設定された第２所定温度を越えるまで、前記熱交換バイパス弁及び前記加湿バイパス弁を開弁状態に維持して、前記燃料電池温度センサの検出温度が該第２所定温度を超えたときに前記加湿バイパス弁を閉弁し、その後、前記酸化剤ガス温度センサの検出温度が第３所定温度を超えたときに前記熱交換バイパス弁を閉弁することを特徴とする（第４発明）。

第４発明によれば、前記燃料電池温度センサの検出温度が前記第１所定温度以下である低温状態下で、前記燃料電池の発電運転が開始されたときに、前記バイパス制御部により、前記熱交換バイパス弁と前記加湿バイパス弁を開弁することにより、前記熱交換器及び前記加湿器での酸化剤ガスの放熱を減少させて、前記燃料電池のカソード極に供給される酸化剤ガスの温度低下を抑制することができる。そして、これにより、前記燃料電池の温度を速やかに上昇させて、前記燃料電池の発電能力を高めることができる。

また、前記燃料電池の温度が上昇して、前記燃料電池の温度が前記第２所定温度を超えたときには前記加湿バイパス弁を閉弁し、さらに、前記酸化剤ガス温度センサの検出温度が前記第３所定温度を超えたときに、前記熱交換バイパス弁を閉弁することにより、前記燃料電池の温度上昇に従って、前記加湿器での酸化剤ガスの加湿と前記熱交換器でのオフガスの加熱の程度を高めることができる。これらにより、効率的な燃料電池の運転を継続して実施することができる。

第１実施形態における燃料電池システムの構成図。 熱交換器を設けたことによる効果の説明図。 第２実施形態における燃料電池システムの構成図。 第３実施形態における燃料電池システムの構成図。 第３実施形態におけるバイパス制御部の作動フローチャート。

本発明の実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。

［第１実施形態］
先ず、図１及び図２を参照して、第１実施形態の燃料電池システムについて説明する。図１を参照して、第１実施形態の燃料電池システムは、例えば燃料電池自動車に搭載されるものであり、燃料電池１０、燃料電池１０のカソード極（空気極）に接続されて空気（酸化剤ガス）を供給する酸化剤供給路１１、燃料電池１０のカソード極に接続されて反応後のオフガスが排出される酸化剤排出路１２、燃料電池１０のアノード極（燃料極）に接続されて水素（燃料ガス）を供給する燃料供給路１３、図示しない水素ガスタンクからの水素を燃料供給路１３に送出するイジェクタ５０、及び、燃料電池１０のアノード極に接続されて残留水素を燃料供給路１３に戻す燃料ガス排出路１４を備えている。

また、燃料電池システムは、酸化剤供給路１１に空気を送出するコンプレッサ４０を駆動するモータ４１、コンプレッサ４０と同軸でモータ４１に連結され、酸化剤排出路を流通するオフガスによりタービン（図示しない）が回転するエキスパンダ４２、酸化剤供給路１１及び酸化剤排出路１２の途中に架け渡されて接続された加湿器２０と熱交換器３０、燃料電池１０の冷却水路（図示しない）中を流れる冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ１５、及び、燃料電池システムの全体的な作動を制御するコントローラ６０を備えている。

加湿器２０は、例えば中空糸膜や平膜等の、流体中の水分のみを移動させる構成を備えており、酸化剤排出路１２を流通するオフガス中の水分を用いて、酸化剤供給路１１を流通する空気を加湿する水分透過型の加湿器である。熱交換器３０は、例えば、ステンレス製の複数のプレートをろう材（銅、ニッケル等）を介して重ね合わせて高温加熱により一体化した伝熱部材に、酸化剤供給路１１が接続される空気の流路と酸化剤排出路１２が接続されるオフガスの流路とを形成した、プレート式熱交換器である。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、メモリ等により構成された電子ユニットであり、メモリに保持された燃料電池システムの制御用プログラムをＣＰＵで実行することにより、燃料電池システムの作動を制御する機能を果す。

コントローラ６０には、冷却水温度センサ１５の温度検出信号が入力される。また、コントローラ６０から出力される制御信号によって、モータ４１の作動が制御される。コントローラ６０は、冷却水温度センサ１５の温度検出信号によって燃料電池１０の温度を認識しつつ、モータ４１の回転速度により燃料電池１０への空気の供給流量を調節して、燃料電池１０の出力（発電量）を制御する。

ここで、コンプレッサ４０から酸化剤供給路１１に送出される空気は、コンプレッサ４０で圧縮されて温度が上昇している。そして、このように、温度が上昇した空気は、酸化剤供給路１１の途中に設けられた熱交換器３０を流通する際に放熱し、この熱が熱交換器３０のオフガスの流路側に伝わって、酸化剤排出路１２を流通するオフガスが加熱される。

熱交換器３０での加熱により、酸化剤排出路１２からエキスパンダ４２に供給されるオフガスの圧力が増大し、エキスパンダ４２でオフガスから回収されるエネルギーが増加する。そのため、燃料電池システムの運転効率を高めることができる。

ここで、図２は、熱交換器３０を設けることによるエキスパンダ４２でのエネルギー回収量の向上率（熱交換器３０が設けられていない構成と比較したときのエネルギー回収量の向上率）を、縦軸をエネルギー回収量の向上率に設定し、横軸を燃料電池１０の出力に設定して示したグラフである。このグラフでは、燃料電池１０の出力が増大するに従って、エネルギー回収量の向上率が２５％付近まで上昇している。

さらに熱交換器３０により温度が下げられた空気は、酸化剤供給路１１を通って加湿器２０に供給される。このとき加湿器２０の構成部材は、供給される空気の温度が高過ぎることがないため、機能可能な温度を超えることなく、加湿器２０は正常に機能し続けることができる。これにより、適切に燃料電池への供給空気を加湿して効率の良い運転を継続させることができる。

［第２実施形態］
次に、図３を参照して、第２実施形態の燃料電池システムについて説明する。第２実施形態の燃料電池システムは、酸化剤供給路１１において熱交換器３０をバイパスする熱交換バイパス路７０と、熱交換バイパス路７０の途中に設けられて熱交換バイパス路７０を開閉する熱交換バイパス弁７１とを備えている点が、図１に示した第１実施形態の燃料電池システムと相違する。なお、第１実施形態の燃料電池システムと同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

熱交換バイパス弁７１は、コントローラ６０から出力される制御信号によって、開弁状態と閉弁状態に切り替えられる。また、コントローラ６０は、ＣＰＵがメモリに保持された燃料電池システムの制御用プログラムを実行することにより実現される機能の一部である、燃料電池１０の運転状況に応じて熱交換バイパス弁７１の開閉を制御するバイパス制御部６１として機能する。

バイパス制御部６１は、燃料電池１０の起動時（発電運転の開始時）に、冷却水温度センサ１５の検出温度Ｔwが、所定の低温判定温度（例えば０度）以下であるか否かを判断する。そして、冷却水温度センサの検出温度Ｔwが低温判定温度以下であるときには、熱交換バイパス弁７１を開弁する。

熱交換バイパス弁７１を開弁することによって、コンプレッサ４０から酸化剤供給路１１に送出される空気の一部が、熱交換器３０を経由せずに熱交換バイパス路７０を経由して加湿器２０へと流通する。そのため、コンプレッサ４０から加湿器２０を経由して燃料電池１０に供給される空気の温度を上昇させて、燃料電池１０を速やかに暖機することができ、早期に効率の良い運転状態に導くことができる。

［第３実施形態］
次に、図４及び図５を参照して、第３実施形態の燃料電池システムについて説明する。第３実施形態の燃料電池システムは、熱交換バイパス路７０の熱交換バイパス弁７１の下流箇所と、酸化剤供給路１１の加湿器２０と燃料電池１０間の途中箇所とを連通する加湿バイパス路８０と、加湿バイパス路８０の途中に設けられて加湿バイパス路８０を開閉する加湿バイパス弁８１と、酸化剤供給路１１から燃料電池１１に供給される空気の温度を検出する酸化剤ガス温度センサ１６とを備えている点が、図３に示した第２実施形態の燃料電池システムと相違する。なお、第２実施形態の燃料電池システムと同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

加湿バイパス弁８１は、コントローラ６０から出力される制御信号によって、開弁状態と閉弁状態に切り替えられる。また、酸化剤ガス温度センサ１６の温度検出信号がコントローラ６０に入力される。

以下、図５に示したフローチャートに従って、コントローラ６０のバイパス制御部６２による熱交換バイパス弁７１と加湿バイパス弁８１の開閉制御について説明する。バイパス制御部６２は、燃料電池１０が起動（発電運転の開始）されたときに、図５のフローチャートによる処理を実行する。

図５のＳＴＥＰ１で、バイパス制御部６２は、冷却水温度センサ１５による冷却水の検出温度Ｔwが、第１所定温度Ｔth1（例えば、０度に設定される）以下であるか否かを判断する。そして、冷却水の検出温度Ｔwが第１所定温度Ｔth1以下であるとき（低温起動時）はＳＴＥＰ２に進み、冷却水の検出温度Ｔwが第１所定温度Ｔth1を超えているときにはＳＴＥＰ１０に分岐する。

ＳＴＥＰ２で、バイパス制御部６２は、加湿バイパス弁８１を開弁し、続くＳＴＥＰ３で熱交換バイパス弁７１を開弁する。加湿バイパス弁８１と熱交換バイパス弁７１を開弁することによって、コンプレッサ４０から酸化剤供給路１１に供給される空気の一部を、熱交換バイパス路７０及び加湿バイパス８０を経由して、熱交換器３０及び加湿器２０での放熱を回避して燃料電池１０に供給することができる。そして、これにより、燃料電池１０に供給される空気の温度を高くして、燃料電池１０の暖機を促進することができ、早期に効率の良い運転状態に導くことができる。

一方、ＳＴＥＰ１０では、冷却水の検出温度Ｔwが第１所定温度Ｔth1が超えていて、燃料電池１０の暖機を促進する必要がない。そこで、バイパス制御部６２は、熱交換バイパス弁７１と加湿バイパス弁８１を閉弁状態に維持して、エアコンプレッサ４０から酸化剤供給路１１に供給される空気を、全て熱交換器３０及び加湿器２０を経由して燃料電池１０に供給する「通常始動処理」を実行し、ＳＴＥＰ８に進む。

ＳＴＥＰ４で、バイパス制御部６２は、冷却水の検出温度Ｔwが第２所定温度Ｔth2（≧Ｔth1）を超えるのを待って、ＳＴＥＰ５に進む。ＳＴＥＰ５で、バイパス制御部６２は、加湿バイパス弁８１を閉弁する。加湿バイパス弁８１を閉弁することによって、全ての空気が加湿器２０を経由して燃料電池１０に供給されることになるため、燃料電池１０の発電量の増加に伴って電解質膜の加湿を促進することができ、発電量に見合う適切な加湿を実施して燃料電池１０を効率良く運転し続けることができる。

続くＳＴＥＰ６で、バイパス制御部６２は、酸化剤ガス温度センサ１６の検出温度Ｔaが第３所定温度Ｔth3（＞Ｔth1）を超えるのを待ってＳＴＥＰ７に進む。ＳＴＥＰ７で、バイパス制御部６２は、熱交換バイパス弁７１を閉弁する。熱交換バイパス弁７１を閉弁することによって、コンプレッサ４０から酸化剤供給路１１に供給される空気の全てが、熱交換器３０を経由して加湿器２０に供給されるようになる。

そのため、熱交換器３０における空気の放熱によるオフガスの加熱量が多くなり、エキスパンダ４２によるオフガスからのエネルギーの回収量を増加させることができる。そして、ＳＴＥＰ８に進み、バイパス制御部６２は熱交換バイパス弁７１と加湿バイパス弁８１を共に閉弁状態とした通常発電モードとする。

なお、図１に示した第１実施形態、及び図３に示した第２実施形態で、オフガス中の水分により酸化剤供給路１１を流通する空気を加湿する水透過膜型の加湿器２０を備えた燃料電池システムを示したが、このような水透過膜型の加湿器２０を備えていない燃料電池システムに対しても、本発明を適用してその効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、本発明の燃料電池温度センサとして、燃料電池１０の冷却水路を流れる冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ１５を備えて、冷却水温度センサ１５の検出温度により燃料電池１０の温度を間接的に検出したが、燃料電池温度センサとして、燃料電池１０の温度を直接検出する温度センサを備えてもよい。

或いは、燃料電池１０の周囲温度を検出するセンサを、本発明の燃料電池温度センサとして備え、これらのセンサの検出温度から、燃料電池１０の温度を間接的に検出するようにしてもよい。

１０…燃料電池、１１…酸化剤供給路、１２…酸化剤排出路、１５…冷却水温度センサ、１６…酸化剤ガス温度センサ、２０…加湿器、３０…熱交換器、４０…コンプレッサ、４１…モータ、４２…エキスパンダ、６０…コントローラ、６１，６２…バイパス制御部、７０…熱交換器バイパス路、７１…熱交換バイパス弁、８０…加湿バイパス路、８１…加湿バイパス弁。

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給路と、
   燃料電池のカソード極に接続されて、カソード極からオフガスが排出される酸化剤排出路と、
   前記酸化剤供給路に酸化剤ガスを送出するコンプレッサと、
   前記酸化剤排出路から排気されるオフガスにより駆動され、前記コンプレッサに動力を伝達するエキスパンダと
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続されて、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスからの熱により、前記酸化剤排出路を流通するオフガスを加熱する熱交換器と、
   前記熱交換器と前記カソード極間の前記酸化剤供給路及び前記酸化剤排出路の途中に架け渡されて接続されて、前記酸化剤排出路を流通するオフガス中の水分を用いて、前記酸化剤供給路を流通する酸化剤ガスを加湿する加湿器と
   を備えた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、
   前記酸化剤供給路において前記熱交換器をバイパスする熱交換バイパス路と、
   前記熱交換バイパス路を開閉する熱交換バイパス弁と、
   前記燃料電池の運転状況に応じて、前記熱交換バイパス弁を開閉するバイパス制御部と
   を備えた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、
   前記熱交換バイパス路の前記熱交換バイパス弁の下流側の箇所と、前記酸化剤供給路の前記加湿器の下流側の箇所とを連通する加湿バイパス路と、
   前記加湿バイパス路を開閉する加湿バイパス弁とを備え、
   前記バイパス制御部は、前記燃料電池の運転状況に応じて、前記加湿バイパス弁を開閉することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度センサと、
   前記加湿器から前記酸化剤供給路を介して前記カソード極に供給される酸化剤ガスの温度を検出する酸化剤ガス温度センサとを備え、
   前記バイパス制御部は、前記燃料電池が発電運転を開始したときに、前記燃料電池温度センサの検出温度が第１所定温度以下であるときは、前記燃料電池温度センサの検出温度が、該第１所定温度以上に設定された第２所定温度を越えるまで、前記熱交換バイパス弁及び前記加湿バイパス弁を開弁状態に維持して、前記燃料電池温度センサの検出温度が該第２所定温度を超えたときに前記加湿バイパス弁を閉弁し、その後、前記酸化剤ガス温度センサの検出温度が第３所定温度を超えたときに前記熱交換バイパス弁を閉弁することを特徴とする燃料電池システム。