JP2018045864A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却対象を効率良く冷却すること。【解決手段】燃料電池システム１０は、第２高圧配管２２ｂ内を流れる空気を低圧流路に導入する導入流路を構成する導入配管２４を備えた。これによれば、第２高圧配管２２ｂから導入配管２４を介して低圧流路に導入されると、低圧流路内で表面張力により安定していた水が、流入した高圧の空気によって、第３ケース内配管２３１内に強制的に導入される。したがって、第３ケース内配管２３１内により多くの水を導入することができるため、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気を効率良く冷却することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。

水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックを有する燃料電池システムを搭載した車両が実用化されている。例えば特許文献１に開示されているように、燃料電池システムにおいては、空気を圧縮する圧縮機が用いられている。燃料電池スタックの発電に寄与する酸素は、空気中に２割程度しか存在しないため、従来では、圧縮機から燃料電池スタックに供給された空気の８割程度は、燃料電池スタックの発電に寄与されることなく燃料電池スタックから排出されて大気へ放出されていた。これに対し、燃料電池スタックから排出された空気を膨張させて空気の排気エネルギーを回収する膨張機を備えた燃料電池システムが知られている。

特開２０１０−５５８１６号公報

ところで、圧縮機から吐出された空気は高温であるため、燃料電池システムにおいては、圧縮機から吐出された空気を、燃料電池スタックに供給する前に冷却する必要がある。また、燃料電池システムでは、例えば、燃料電池スタックの発電時に燃料電池スタックが発熱したり、圧縮機における空気の圧縮動作によって圧縮機自体が熱を持ったりするため、燃料電池スタックや圧縮機等も冷却することが好ましい。したがって、燃料電池システムでは、このような冷却対象を効率良く冷却することが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、冷却対象を効率良く冷却することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、空気を圧縮する圧縮機と、前記燃料電池スタックから排出された空気を膨張させて前記空気の排気エネルギーを回収する膨張機と、前記膨張機から排出された空気が流入するとともに冷却対象を冷却する冷却部と、を備えた燃料電池システムであって、前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間及び前記燃料電池スタックと前記膨張機との間を繋ぐ高圧流路と、前記膨張機と前記冷却部との間を繋ぐ低圧流路と、前記高圧流路を流れる空気を前記低圧流路に導入する導入流路と、を備えた。

膨張機から排出されて低圧流路を流れる空気は、膨張機により膨張されたことで低温低圧になっているとともに水を含んでいる。また、高圧流路を流れる空気は、低圧流路を流れる空気よりも高圧である。そして、高圧流路を流れる空気が、導入流路を介して低圧流路に導入されると、低圧流路内で表面張力により安定していた水が、流入した高圧の空気によって、冷却部に強制的に導入される。したがって、冷却部により多くの水を導入することができるため冷却対象を効率良く冷却することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記冷却対象は、前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間を繋ぐ前記高圧流路を構成する配管であってもよい。これによれば、高圧流路を構成する配管を流れる空気を効率良く冷却することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記導入流路には、開閉弁が設けられており、前記開閉弁は、前記燃料電池スタックに対する要求発電量に応じて開閉するようにしてもよい。
これによれば、例えば、開閉弁が、要求発電量に応じて閉弁状態になると、高圧流路を流れる空気が導入流路を介して低圧流路に導入されなくなるため、膨張機による空気の排気エネルギーの回収を効率良く行うことができる。また、例えば、開閉弁が、要求発電量に応じて開弁状態になると、高圧流路を流れる空気が導入流路を介して低圧流路に導入され、冷却対象を効率良く冷却することができる。

この発明によれば、冷却対象を効率良く冷却することができる。

実施形態における燃料電池システムの概略構成図。

以下、燃料電池システムを具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システムは車両（燃料電池車）に搭載されている。
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、空気を圧縮する圧縮機１２と、燃料電池スタック１１から排出された空気を膨張させて空気の排気エネルギーを回収する膨張機１３とを備えている。圧縮機１２及び膨張機１３は、電動モータで駆動するターボ式の電動流体機械である。燃料電池スタック１１は、複数のセルを直列に積層して構成されている。燃料電池スタック１１は、水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。なお、燃料電池スタック１１の発電に寄与する酸素は、空気中に２割程度しか存在しないことから、燃料電池スタック１１に供給された空気の８割程度は、燃料電池スタック１１の発電に寄与されることなく燃料電池スタック１１から排出される。

燃料電池スタック１１は、図示しない走行用モータに電気的に接続されている。走行用モータは、燃料電池スタック１１を電力源として駆動する。走行用モータの動力は、図示しない動力伝達機構を介して車軸に伝達され、燃料電池車は、アクセル開度に応じた車速で走行する。

燃料電池システム１０は、外部から圧縮機１２に空気を供給する吸入流路を構成する吸入配管２１を備えている。また、燃料電池システム１０は、圧縮機１２で圧縮された空気を燃料電池スタック１１に供給する第１高圧流路を構成する第１高圧配管２２ａと、燃料電池スタック１１から排出された空気を膨張機１３に供給する第２高圧流路を構成する第２高圧配管２２ｂとを備えている。第１高圧配管２２ａは、圧縮機１２と燃料電池スタック１１との間に設けられ、第２高圧配管２２ｂは、燃料電池スタック１１と膨張機１３との間に設けられている。したがって、第１高圧配管２２ａ及び第２高圧配管２２ｂは、圧縮機１２と燃料電池スタック１１との間及び燃料電池スタック１１と膨張機１３との間を繋ぐ高圧流路を構成している。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１を冷却するための冷却水（ＬＬＣ）が循環する流路を構成する第１循環配管１５と、第１循環配管１５内を流れる冷却水を圧送する第１ポンプ１５ａと、第１ラジエータ１５ｂと、を有する第１冷却水回路１５０を備えている。

第１循環配管１５の一部分である第１ラジエータ内配管１５１は、第１ラジエータ１５ｂ内に設けられている。第１ラジエータ内配管１５１内を流れる冷却水は、外気と熱交換することで冷却される。

第１循環配管１５の他の一部分であるスタック内配管１５２は、燃料電池スタック１１内を通過している。燃料電池スタック１１は、スタック内配管１５２内を流れる冷却水と熱交換されることにより冷却される。

燃料電池システム１０では、膨張機１３において、燃料電池スタック１１から排出された空気が膨張し、空気の排気エネルギーが機械的エネルギーとして取り出され、膨張機１３の電動モータが発電機として機能して電動モータに回生電力が発生する。電動モータに発生した回生電力は、図示しないバッテリに蓄電され、例えば、走行用モータの電力源として用いられる。

燃料電池システム１０は、膨張機１３から排出された空気が流れるとともに一部が膨張機１３と後述する冷却部との間を繋ぐ低圧流路を構成する低圧配管２３を備えている。低圧配管２３内を流れる空気（低圧流路を流れる空気）は、膨張機１３により膨脹されたことで低温低圧になっているとともに水を含んでいる。

燃料電池システム１０は、冷却水（ＬＬＣ）が循環する流路を構成する第２循環配管１６と、第２循環配管１６を流れる冷却水を圧送する第２ポンプ１６ａと、第２ラジエータ１６ｂと、を有する第２冷却水回路１６０を備えている。

第２循環配管１６の一部分である第２ラジエータ内配管１６１は、第２ラジエータ１６ｂ内に設けられている。第２ラジエータ内配管１６１内を流れる冷却水は、外気と熱交換することで冷却される。

燃料電池システム１０は、配管収容ケース１４を備えている。配管収容ケース１４内には、第１高圧配管２２ａの一部分である第１ケース内配管２２１ａ、第２循環配管１６の他の一部分である第２ケース内配管１６２、低圧配管２３の一部分である第３ケース内配管２３１が設けられている。

第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気の温度は、第２ケース内配管１６２内を流れる冷却水の温度及び第３ケース内配管２３１内を流れる水を含む空気の温度と比較して高く、第１ケース内配管２２１ａは、第２ケース内配管１６２及び第３ケース内配管２３１によって冷却可能な位置に配置されている。

したがって、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気は、第２ケース内配管１６２を介して第２ケース内配管１６２内を流れる冷却水と熱交換することで冷却されるとともに、第３ケース内配管２３１を介して第３ケース内配管２３１内を流れる水を含む空気と熱交換することで冷却される。

すなわち、本実施形態の冷却対象は、第１ケース内配管２２１ａであり、第１ケース内配管２２１ａが冷却されることで第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気が冷却される。第３ケース内配管２３１は、冷却部として機能する。

したがって、低圧配管２３における膨張機１３よりも空気の流れ方向の下流で、且つ冷却部である第３ケース内配管２３１よりも空気の流れ方向の上流に位置する部分によって構成される流路は、本実施形態における低圧流路と言える。

燃料電池システム１０は、第２高圧配管２２ｂ内を流れる空気を低圧流路に導入する導入流路を構成する導入配管２４を備えている。本実施形態においては、導入配管２４の一端部は、第２高圧配管２２ｂに接続されており、他端部は、低圧配管２３における低圧流路を構成する部分に接続されている。つまり、導入流路は、低圧流路と第２高圧流路とに連通している。導入配管２４には、開閉弁２４ｖが設けられている。

燃料電池システム１０は、制御装置１９を備えている。制御装置１９は、開閉弁２４ｖと電気的に接続されている。開閉弁２４ｖは、制御装置１９からの制御を受けることにより、開弁状態と閉弁状態とに切り換えられる。

制御装置１９は、運転者に操作されるアクセルペダル１９ａの操作量を検出するアクセルセンサ１９ｓと電気的に接続されている。制御装置１９は、アクセルセンサ１９ｓの検出結果であるアクセル開度をアクセルセンサ１９ｓから受信する。制御装置１９は、アクセルセンサ１９ｓから送信されるアクセル開度に基づいて、燃料電池スタック１１に対する要求発電量を算出する。

制御装置１９は、燃料電池スタック１１に対する要求発電量に応じて、開閉弁２４ｖを開弁状態と閉弁状態とに切り換える。本実施形態においては、燃料電池スタック１１に供給される空気の温度に応じて開閉弁２４ｖを開弁状態と閉弁状態とに切り換える。燃料電池スタック１１に供給される空気の温度は、要求発電量と因果関係があり、要求発電量が高くなると燃料電池スタック１１に供給される空気の温度は高くなる。すなわち、燃料電池スタック１１に供給される空気の温度に応じて開閉弁２４ｖを開弁状態と閉弁状態とに切り換えることは、要求発電量に応じて開閉弁２４ｖを開弁状態と閉弁状態とに切り換えていると言える。

次に、本実施形態の作用について説明する。
制御装置１９は、燃料電池スタック１１に供給される空気の温度が、予め定められた温度以上であった場合、開閉弁２４ｖを開弁状態に切り換える。すると、第２高圧配管２２ｂ内を流れる空気が、導入配管２４を介して低圧流路に導入される。ここで、第２高圧配管２２ｂ内を流れる空気は、低圧流路を流れる空気よりも高圧であるため、低圧流路内で表面張力により安定していた水が、流入した高圧の空気によって、第３ケース内配管２３１内に強制的に導入される。これにより、第３ケース内配管２３１内により多くの水を導入することができるため、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気を効率良く冷却することが可能となる。

さらに、低圧流路内で表面張力により安定していた水の一部が、流入した高圧の空気によって不安定となり、やがて液滴に変化する。この液滴は、第３ケース内配管２３１内に導入される。液滴になると蒸発し易くなるため、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気をさらに効率良く冷却することが可能となる。

一方、燃料電池スタック１１に供給される空気の温度が、予め定められた温度未満である場合では、第１高圧配管２２ａを流れる空気を積極的に冷却しなくてもよい。つまり、制御装置１９は、燃料電池スタック１１に供給される空気の温度が、予め定められた温度未満であった場合には、開閉弁２４ｖを閉弁状態に切り換えてもよい。この場合、第２高圧配管２２ｂ内を流れる空気が導入配管２４を介して低圧流路に導入されなくなる。これにより、膨張機１３による空気の排気エネルギーの回収が効率良く行われる。その結果、走行用モータの電力源として用いられる電力がバッテリに効率良く蓄電されるため、燃料電池スタック１１での発電を抑えることができ、燃料電池スタック１１の発熱が抑えられる。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）燃料電池システム１０は、第２高圧配管２２ｂ内を流れる空気を低圧流路に導入する導入流路を構成する導入配管２４を備えた。これによれば、第２高圧配管２２ｂから導入配管２４を介して低圧流路に導入されると、低圧流路内で表面張力により安定していた水が、流入した高圧の空気によって、第３ケース内配管２３１内に強制的に導入される。したがって、第３ケース内配管２３１内により多くの水を導入することができるため、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気を効率良く冷却することができる。

さらに、低圧流路内で表面張力により安定していた水の一部は、流入した高圧の空気によって不安定となり、やがて液滴に変化する。この液滴は、第３ケース内配管２３１内に導入される。液滴になると蒸発し易くなるため、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気をさらに効率良く冷却することが可能となる。

（２）導入配管２４には、開閉弁２４ｖが設けられている。そして、第１高圧配管２２ａを流れる空気が予め定められた温度未満であって、第１高圧配管２２ａを流れる空気を積極的に冷却しなくてもよい場合には、開閉弁２４ｖを閉弁状態とする。これによれば、膨張機１３による空気の排気エネルギーの回収を効率良く行うことができる。そして、第１高圧配管２２ａを流れる空気が予め定められた温度以上になると、開閉弁２４ｖを開弁状態とすることで、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気を効率良く冷却することができる。

（３）本実施形態では、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気は、第２ケース内配管１６２内を流れる冷却水によって冷却されるとともに、第３ケース内配管２３１内を流れる水を含む空気によっても冷却される。よって、第２ケース内配管１６２内を流れる冷却水のみで第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気を冷却する場合に比べて、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気を効率良く冷却することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、第１高圧配管２２ａの全部が、配管収容ケース１４内に設けられていてもよい。つまり、第１高圧配管２２ａの少なくとも一部が、配管収容ケース１４内に設けられていればよい。

○ 実施形態において、冷却対象は、燃料電池スタック１１、圧縮機１２（例えば、電動モータや圧縮機構部等）、第１循環配管１５等であってもよい。要は、冷却対象は、膨張機１３から排出されて低圧流路を流れる空気の温度よりも高温になるものであればよい。例えば、圧縮機１２を冷却対象とした場合、圧縮機１２を構成するハウジングの外面に、低圧配管２３の一部を直接取り付けるようにしてもよい。この場合、低圧配管２３における圧縮機１２のハウジングの外面に取り付けられた部位が冷却部として機能する。

○ 実施形態において、導入配管２４の一端部は、第２高圧配管２２ｂに接続されており、他端部は、低圧配管２３に接続されているが、これに限られない。導入配管２４の一端部が、第１高圧配管２２ａに接続され、他端部が、低圧配管２３に接続されていてもよい。この場合であっても、高圧の空気によって低圧流路内で表面張力により安定していた水を第３ケース内配管２３１内に強制的に導入できるため、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気を効率良く冷却することができる。また、第１高圧配管２２ａ内を流れる空気の温度は、第２高圧配管２２ｂ内を流れる空気の温度と比較して低いため、低圧流路を流れる空気の温度上昇を抑えることができる。

○ 制御装置１９は、燃料電池スタック１１の温度が、予め定められた温度以上であった場合に、開閉弁２４ｖを開弁状態に切り換えるとともに、燃料電池スタック１１の温度が、予め定められた温度未満であった場合に、開閉弁２４ｖを閉弁状態に切り換えてもよい。

○ 制御装置１９は、燃料電池スタック１１に供給される空気の温度が、予め定められた温度未満であり、且つ燃料電池スタック１１の温度が、予め定められた温度以上であった場合に、開閉弁２４ｖを閉弁状態に切り換えてもよい。

○ 実施形態において、制御装置１９は、燃料電池スタック１１に対する要求発電量が、予め定められた発電量以上であった場合に、開閉弁２４ｖを開弁状態に切り換えるとともに、燃料電池スタック１１に対する要求発電量が、予め定められた発電量未満であった場合に、開閉弁２４ｖを閉弁状態に切り換えてもよい。

○ 実施形態において、制御装置１９は、例えば、圧縮機１２から吐出される空気の吐出圧力が、予め定められた圧力以上であった場合に、開閉弁２４ｖを開弁状態に切り換えるとともに、圧縮機１２から吐出される空気の吐出圧力が、予め定められた圧力未満であった場合に、開閉弁２４ｖを閉弁状態に切り換えてもよい。圧縮機１２から吐出される空気の吐出圧力は、要求発電量と因果関係があり、要求発電量が高くなると燃料電池スタック１１に圧縮機１２から吐出される空気の吐出圧力は高くなる。すなわち、圧縮機１２から吐出される空気の吐出圧力に応じて開閉弁２４ｖを開弁状態と閉弁状態とに切り換えることは、要求発電量に応じて開閉弁２４ｖを開弁状態と閉弁状態とに切り換えていると言える。

つまり、要求発電量と因果関係があるパラメータに応じて開閉弁２４ｖの開閉を切り換えることは、要求発電量に応じて開閉弁２４ｖの開閉を切り換えていると言える。したがって、開閉弁２４ｖの開閉は、燃料電池スタック１１に供給される空気の温度、燃料電池スタック１１の温度、圧縮機１２から吐出される空気の吐出圧力に限らず、要求発電量と因果関係があるパラメータに応じて切り換えてもよい。

○ 実施形態において、導入配管２４に開閉弁２４ｖを設けなくてもよい。
○ 実施形態において、冷却部によって、第１ケース内配管２２１ａ内を流れる空気を十分冷却することができるのであれば、第２冷却水回路１６０を無くしてもよい。

○ 実施形態において、第２循環配管１６を無くして、第１循環配管１５から分岐させた第１循環配管１５の一部分である配管を配管収容ケース１４内に設けてもよい。
○ 実施形態において、圧縮機１２は、電動モータで駆動するターボ式の電動流体機械であったが、例えば、スクロール式の電動流体機械やルーツ式の電動流体機械であってもよい。同様に、膨張機１３も、例えば、スクロール式の電動流体機械やルーツ式の電動流体機械であってもよい。

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１２…圧縮機、１３…膨張機、２２ａ…高圧流路を構成する第１高圧配管、２２ｂ…高圧流路を構成する第２高圧配管、２３…一部が低圧流路を構成する低圧配管、２４…導入流路を構成する導入配管、２４ｖ…開閉弁、２２１ａ…冷却対象である第１ケース内配管、２３１…冷却部として機能する第３ケース内配管。

Claims (3)

1. 燃料電池スタックと、
   空気を圧縮する圧縮機と、
   前記燃料電池スタックから排出された空気を膨張させて前記空気の排気エネルギーを回収する膨張機と、
   前記膨張機から排出された空気が流入するとともに冷却対象を冷却する冷却部と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間及び前記燃料電池スタックと前記膨張機との間を繋ぐ高圧流路と、
   前記膨張機と前記冷却部との間を繋ぐ低圧流路と、
   前記高圧流路を流れる空気を前記低圧流路に導入する導入流路と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却対象は、前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間を繋ぐ前記高圧流路を構成する配管であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記導入流路には、開閉弁が設けられており、
   前記開閉弁は、前記燃料電池スタックに対する要求発電量に応じて開閉することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

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