JP2020036425A - 燃料電池を搭載した移動体 - Google Patents

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雄亮 金子
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崇晴 立石
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貴大 石崎
瑞季 木内
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瑞季 木内
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和彦 宮本
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Abstract

【課題】燃料電池が搭載された移動体において、燃料電池の生成水を有効に利用する。【解決手段】燃料電池を搭載した移動体は、燃料電池の発電に伴う生成水を貯留するタンクと、移動体の客室内に設けられた吹き出し口と、タンクに貯留された生成水を、吹き出し口を介して客室内に向かって噴霧する超音波加湿装置と、を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池を搭載した移動体に関する。
特許文献1には、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の発電により生成された水をタンク内に一時的に貯留した後、車両の外部に排出する技術が開示されている。
特開2008−235203号公報
従来から燃料電池の生成水を有効に利用したいという要望があった。このような課題は、車両に限らず、船舶、飛行機等の種々の移動体においても共通する。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本開示の一形態によれば、燃料電池を搭載した移動体が提供される。この移動体は、前記燃料電池の発電に伴う生成水を貯留するタンクと、前記移動体の客室内に設けられた吹き出し口と、前記タンクに貯留された前記生成水を、前記吹き出し口を介して前記客室内に向かって噴霧する超音波加湿装置と、を備える。
この形態の移動体によれば、燃料電池の発電に伴う生成水がタンクに貯留され、タンクに貯留された生成水が、吹き出し口を介して超音波加湿装置から客室内に噴霧される。したがって、燃料電池の生成水を有効に利用できる。また、燃料電池の生成水は、純水、あるいは、純水に近い水であるので、超音波式の加湿装置を用いて生成水を噴霧しても、客室内に雑菌等が噴霧されることを抑制でき、客室内が不衛生となることを抑制できる。
本開示は、種々の実施形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両、燃料電池システム、移動体における加湿制御方法等の形態で実現できる。
燃料電池を搭載した車両の概略構成を示す断面図。 客室内の様子を模式的に示す説明図。 燃料電池システムの構成を示す概略図。 加湿処理の処理手順を示すフローチャート。 燃料電池バスを模式的に示す説明図。
A.実施形態:
A1.車両の構成:
図1は、本開示の一実施形態における燃料電池10を搭載した車両500の概略構成を示す断面図である。図1において、X軸は、車両500の進行方向と平行であり、+X方向は車両500の前進方向と平行な方向に、−X方向は車両500の後退方向と平行な方向に、それぞれ相当する。Y軸は、車両500の幅方向と平行である。Z軸は、鉛直方向と平行である。X軸およびY軸は、それぞれ、水平方向と平行である。図1では、車両500の進行方向に沿った断面を示している。
車両500は、燃料電池10の発電した電力によって駆動モータMを駆動して一対の後輪RWを駆動させることにより走行する。車両500の前方側には、一対の前輪FWに挟まれた領域を含む空間として、フロントルーム511が形成されている。フロントルーム511の後方側には、一対の前輪FWと一対の後輪RWとに挟まれた車両500の進行方向と平行な方向に延びる空間として、客室512が形成されている。
フロントルーム511には、燃料電池10と、燃料電池10の発電に伴う生成水を貯留する生成水タンク72と、超音波加湿装置90とが載置されている。客室512には、吹き出し口91が設けられている。客室512内の前座席シートの下の床には、水素ガスタンク52が、車両500の進行方向に対して自身の長手方向が平行となるように配置されている。燃料電池10、生成水タンク72、超音波加湿装置90、吹き出し口91および水素ガスタンク52は、いずれも後述の燃料電池システム100に接続されている。燃料電池10、生成水タンク72、超音波加湿装置90、吹き出し口91、水素ガスタンク52、および燃料電池システム100についての詳細な説明は、後述する。
本実施形態では、車両500において後述の加湿処理が実行されることにより、燃料電池10の生成水が超音波加湿装置90によって微細な霧状にされて、吹き出し口91を介して客室512内に噴霧される。
図2は、客室512内の様子を模式的に示す説明図である。図2では、車両500の進行方向の後方から前方を見たときの様子を示している。図2に示すように、車両500のインストルメントパネルには、吹き出し口91と、加湿ボタン95とが設けられている。吹き出し口91は、運転席の前と、助手席の前とにそれぞれ設けられ、吹き出し口91からはミストmsが噴霧されている。ミストmsは、粒径がマイクロメートルオーダの微細な水滴による霧である。したがって、図1に示すように、白煙のような霧が噴霧される。もとよりミストmsは、体積に対する表面積の割合が高く、その一部は気化して水蒸気となる。したがって、吹き出す空気自体の湿度は高くなっている。
図2に示すように、加湿ボタン95は、インストルメントパネルの中央付近に設けられている。加湿ボタン95は、超音波加湿装置90のオンとオフとを切り替えるボタンであり、車両500の利用者によって操作される。
A2.燃料電池システムの構成:
図3は、燃料電池システム100の構成を示す概略図である。燃料電池システム100は、車両500に搭載され、運転者からの要求に応じて車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム100は、燃料電池10と、酸化剤ガス供給排出部30と、燃料ガス供給排出部50と、制御装置20とを備える。燃料電池システム100は、さらに、DC/DCコンバータ80と、二次電池82とを備える。
燃料電池10は、反応ガスとして水素ガスおよび空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池10は、複数のセル11が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各セル11は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層および一対のセパレータとを有する。燃料電池10によって発電された電力は、DC/DCコンバータ80を介して二次電池82または負荷83に供給される。
二次電池82は、燃料電池10により発電された電力を蓄電し、燃料電池10とともに燃料電池システム100における電力の供給源として機能する。二次電池82の電力は、図示しないトラクションモータ等の負荷83や、後述のエアコンプレッサ33、水素ポンプ66、各種弁に、供給される。本実施形態において、二次電池82は、充放電可能なリチウムイオン電池によって構成されている。なお、二次電池82は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の他の任意の種類の電池により構成されてもよい。
酸化剤ガス供給排出部30は、酸化剤ガスとしての空気を外気から取り入れて燃料電池10に供給すると共に、酸化オフガスを燃料電池10から外部へと排出する。酸化剤ガス供給排出部30は、酸化剤ガス配管31と、エアフローメータ32と、エアコンプレッサ33と、第1開閉弁34と、第1圧力計35と、酸化オフガス配管41と、第1調圧弁42とを備える。
酸化剤ガス配管31は、燃料電池10の内部に形成された酸化剤ガス供給マニホールドと連通し、外部から取り込んだ空気を燃料電池10に供給する。エアフローメータ32は、酸化剤ガス配管31に設けられ、取り込んだ空気の流量を測定する。エアコンプレッサ33は、エアフローメータ32と酸化オフガス配管41との接続部位との間に設けられ、制御装置20からの制御信号に応じて、外気から取り入れた空気を圧縮して酸素を燃料電池10に供給する。第1開閉弁34は、エアコンプレッサ33と燃料電池10との間に設けられ、エアコンプレッサ33から燃料電池10への空気の供給の実行および停止を行う。第1圧力計35は、燃料電池10の酸化剤ガス入口の圧力を測定し、制御装置20に送信する。
酸化オフガス配管41は、燃料電池10の内部に形成された酸化オフガス排出マニホールドと連通する。酸化オフガス配管41は、各セル11から排出される酸化オフガスを燃料電池システム100の外部へと排出する。酸化オフガスには、空気の他に、燃料電池10の発電により生じた生成水が含まれる。第1調圧弁42は、制御装置20からの制御信号に応じて、酸化オフガス配管41における酸化オフガスの圧力を調整する。
燃料ガス供給排出部50は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池10に供給すると共に、燃料オフガスを燃料電池10から外部へと排出する。燃料ガス供給排出部50は、燃料ガス配管51と、水素ガスタンク52と、第2開閉弁53と、第2調圧弁54と、インジェクタ55と、第2圧力計56と、燃料オフガス配管61と、第1気液分離器62と、排気排水弁63と、接続配管64と、循環配管65と、水素ポンプ66とを備える。
燃料ガス配管51は、水素ガスタンク52と燃料電池10とを接続し、水素ガスタンク52内の水素ガスおよび水素ポンプ66から送られる余剰水素ガスを燃料電池10に供給する。第2開閉弁53、第2調圧弁54、インジェクタ55、および第2圧力計56は、この順序で水素ガスタンク52から燃料電池10に向かって燃料ガス配管51に配置されている。
第2開閉弁53は、制御装置20からの制御信号に応じて開閉し、水素ガスタンク52からインジェクタ55への水素ガスの流入を制御する。燃料電池システム100の停止時には第2開閉弁53は閉じられる。第2調圧弁54は、制御装置20からの制御信号に応じて、インジェクタ55に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクタ55は、制御装置20からの制御信号に応じて、制御装置20が設定した駆動周期および開閉時間に応じて弁を開閉することにより、水素ガスを燃料電池10に供給すると共にその供給量を調整する。第2圧力計56は、燃料電池10の水素ガス入口の圧力を測定し、制御装置20に送信する。
燃料オフガス配管61は、燃料電池10の内部に形成された燃料オフガス排出マニホールドと第1気液分離器62とを接続する。燃料オフガス配管61は、燃料電池10から燃料オフガスを排出するための流路である。燃料オフガスには、発電反応に用いられなかった水素ガスや窒素ガス、燃料電池10の発電により生じた生成水が含まれる。燃料オフガス配管61は、燃料オフガスを第1気液分離器62へと誘導する。
第1気液分離器62は、燃料オフガス配管61と循環配管65との間に接続されている。第1気液分離器62は、燃料オフガス配管61内の燃料オフガスに含まれる水素ガスと水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管65へ流入させる。
排気排水弁63は、第1気液分離器62の下部に設けられた開閉弁である。排気排水弁63は、制御装置20からの制御信号に応じて開閉し、第1気液分離器62により分離された水および燃料オフガスに含まれている窒素ガス等の不純物ガスを接続配管64へ排出する。
接続配管64は、排気排水弁63の下部と、酸化オフガス配管41とを接続する。接続配管64は、酸化オフガス配管41と連通する。接続配管64は、排気排水弁63から排出された水および燃料オフガスを酸化オフガス配管41へ排出する。
循環配管65は、インジェクタ55よりも下流側において燃料ガス配管51と接続している。循環配管65には、制御装置20からの制御信号に応じて駆動される水素ポンプ66が配置されている。水素ポンプ66は、第1気液分離器62において分離されたガス(水素ガスを含むガス)を燃料ガス配管51に送り出す。燃料電池システム100では、燃料オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び燃料電池10に供給することにより、水素ガスの利用効率を向上させている。
酸化オフガス配管41における接続配管64との接続部位よりも下流側に、第2気液分離器43が設けられている。第2気液分離器43は、酸化オフガス配管41を流れる酸化オフガスおよび燃料オフガスと、両オフガスに含まれる生成水と、を分離する。第2気液分離器43によって生成水と分離された酸化オフガスおよび燃料オフガスは、排気排水配管45を介して燃料電池システム100の外部(大気)へ排出される。他方、第2気液分離器43によって酸化オフガスおよび燃料オフガスと分離された生成水は、第3開閉弁44を介して生成水流路71へ排出される。
第3開閉弁44は、第2気液分離器43の下部に設けられた開閉弁である。第3開閉弁44は、制御装置20からの制御信号に応じて開閉し、第2気液分離器43により分離された生成水を生成水流路71へ排出する。
生成水流路71は、第2気液分離器43と超音波加湿装置90とを接続し、第2気液分離器43によって分離された生成水を超音波加湿装置90に供給する。生成水流路71には、生成水タンク72と、生成水ポンプ75とが設けられている。
生成水タンク72は、第2気液分離器43によって分離された生成水を貯留する。生成水タンク72は、貯留量検出センサ73と、排水弁74とを備える。貯留量検出センサ73は、生成水タンク72内の水位を検出することにより、生成水タンク72に貯留された水量(以下、「貯留量」と呼ぶ)を取得して、制御装置20に送信する。取得された貯留量が、生成水タンク72の許容貯留量に達している、あるいは、許容貯留量にある程度マージンを持たせた閾値を超えている場合には、制御装置20は、生成水タンク72への生成水の流入を制限する。具体的には、制御装置20は、第2気液分離器43において、生成水を、排気排水配管45を介して燃料電池システム100の外部(大気)へ排出させる。
排水弁74は、制御装置20からの制御信号に応じて開閉し、生成水タンク72に貯留された生成水を超音波加湿装置90に排出する。本実施形態において、排水弁74は、予め定められた量の生成水が貯留された場合に、開かれる。予め定められた貯留量は、実験等により予め算出され、メモリ25に格納されている。生成水ポンプ75は、生成水流路71を介して、生成水タンク72から排出された生成水を超音波加湿装置90に流入させる。
超音波加湿装置90は、車両500のインストルメントパネルの内部に配置され、制御装置20からの制御信号に応じて客室512内を加湿する。超音波加湿装置90は、超音波式の加湿装置であり、超音波の振動を発生させて生成水を極めて細かな水滴(霧)に分解し、かかる水滴を吹き出し口91を通じて客室512内の空気中に排出する。
超音波加湿装置90は、生成水タンク72から流入した生成水が張られた水槽と、水槽の底面に配置された超音波振動子と、発生させた霧を広範囲に拡散させる送風機とを備える。超音波加湿装置90は、超音波振動子に高周波の交流電圧を加えることによって、超音波の振動エネルギーを発生させる。そして、振動エネルギーが水槽の水面に伝わることによって、水面の一部が隆起し、微細な霧が発生する。発生した微細な霧は、送風機を介して吹き出し口91に導かれる。
吹き出し口91は、上述のように車両500のインストルメントパネルに設けられている。吹き出し口91は、超音波加湿装置90から送出される霧(ミスト)を客室512内に向かって噴霧する。なお、吹き出し口91として、車両500の空調装置用の吹き出し口を用いてもよい。
以上説明した燃料電池10は、上述の構成によって供給される水素ガスおよび空気を用いて発電する。発電した電力は、図示しないインバータを介して、図示しない車両走行用の駆動モータMに供給される。燃料電池10から駆動モータMに電力を供給する電源ラインには、DC/DCコンバータ80の高圧側が接続されている。DC/DCコンバータ80は、制御装置20の制御に応じて、燃料電池10の出力電圧を昇圧する。燃料電池10とDC/DCコンバータ80との間には、燃料電池10の電流を測定する電流センサ85が設けられている。電流センサ85は、燃料電池10の出力電流値を測定する。
制御装置20は、燃料電池システム100を全体制御する。制御装置20は、CPU21と、メモリ25とを備えている。CPU21は、メモリ25に予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、制御部22として機能する。
制御部22は、エアコンプレッサ33や水素ポンプ66等の制御装置20と電気的に接続されている各構成要素の駆動および停止を制御することにより、燃料電池10および制御装置20の運転を制御する。本実施形態において、制御部22は、超音波加湿装置90を制御して、後述の加湿処理を実行する。
A3.加湿処理:
図4は、加湿処理の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池システム100では、車両500全体の制御をする上位のECU(Electronic Control Unit)からイグニッションスイッチがオンにされたことを示す信号が送信され、かかる信号が制御装置20において受信されると、図4に示す加湿処理が実行される。加湿処理は、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替えられるまでの間、所定のインターバルで繰り返し実行される。所定のインターバルは、例えば、10秒としてもよい。
まず、制御部22は、加湿ボタン95がオンであるか否かを判定する(ステップS105)。加湿ボタン95がオンであると判定された場合(ステップS105:YES)、制御部22は、貯留量検出センサ73から生成水タンク72の水量を取得する(ステップS110)。次に、制御部22は、貯留量が所定量以上であるか否かを判定する(ステップS115)。貯留量が所定量以上であると判定された場合(ステップS115:YES)、制御部22は、客室512内に向かってミストmsを噴霧する(ステップS120)。
ステップS120の実行後、または、上述のステップS105において加湿ボタン95がオンでないと判定された場合(ステップS105:NO)、上述のステップS115において貯留量が所定量未満であると判定された場合(ステップS115:NO)、制御部22は、加湿処理を終了し、所定のインターバルが経過した後、再び加湿処理を開始して、上述のステップS105を実行する。
以上の構成を有する本実施形態の車両500によれば、燃料電池10の発電に伴う生成水が生成水タンク72に貯留され、生成水タンク72に貯留された生成水が超音波加湿装置90からミストmsとして客室512内に噴霧される。このため、燃料電池10の生成水を有効に利用できる。また、燃料電池10の生成水は、純水、あるいは、純水に近い水である。したがって、超音波式の加湿装置90を用いてミストmsを発生させても、客室512内に雑菌等が噴霧されることを抑制でき、客室512内が不衛生となることを抑制できる。
B.他の実施形態:
(1)図5は、他の実施形態1にかかる燃料電池バス500aを模式的に示す説明図である。図5では、燃料電池バス500aを燃料電池バス500aの天井から−Z方向に見たときの概略図である。燃料電池バス500aの客室512aには、運転席515と、利用者用の複数の座席516とが設けられている。吹き出し口91aは、燃料電池バス500aにおける前方(−X方向)や、利用者用の座席516の側方(−Y方向または+Y方向)、燃料電池バス500aにおける後方(+X方向)に配置されている。このように、吹き出し口91aを多数備える場合には、超音波加湿装置90から送出されたミストを各吹き出し口91aに分岐させて送出し、客室512内にミストmsを噴霧させてもよい。このような構成においても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
(2)上記各実施形態において、加湿処理は、車両500、燃料電池バス500a等の車両に限らず、燃料電池を搭載した、船舶および飛行機等の種々の移動体において実行されてもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池、11…セル、20…制御装置、21…CPU、22…制御部、25…メモリ、30…酸化剤ガス供給排出部、31…酸化剤ガス配管、32…エアフローメータ、33…エアコンプレッサ、34…第1開閉弁、35…第1圧力計、41…酸化オフガス配管、42…第1調圧弁、43…第2気液分離器、44…第3開閉弁、45…排気排水配管、50…燃料ガス供給排出部、51…燃料ガス配管、52…水素ガスタンク、53…第2開閉弁、54…第2調圧弁、55…インジェクタ、56…第2圧力計、61…燃料オフガス配管、62…第1気液分離器、63…排気排水弁、64…接続配管、65…循環配管、66…水素ポンプ、71…生成水流路、72…生成水タンク、73…貯留量検出センサ、74…排水弁、75…生成水ポンプ、80…DC/DCコンバータ、82…二次電池、83…負荷、85…電流センサ、90…超音波加湿装置、91…吹き出し口、91a…吹き出し口、95…加湿ボタン、100…燃料電池システム、500…車両、500a…燃料電池バス、511…フロントルーム、512…客室、512a…客室、515…運転席、516…座席、FW…前輪、M…駆動モータ、RW…後輪、ms…ミスト

Claims (1)

  1. 燃料電池を搭載した移動体であって、
    前記燃料電池の発電に伴う生成水を貯留するタンクと、
    前記移動体の客室内に設けられた吹き出し口と、
    前記タンクに貯留された前記生成水を、前記吹き出し口を介して前記客室内に向かって噴霧する超音波加湿装置と、
    を備える、移動体。
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