JP4506771B2 - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

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Description

本発明は、エアクリーナを備えた燃料電池システム、並びにこの燃料電池システムを備えた移動体に関するものである。
従来、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両が知られている(例えば、特許文献1参照)。この燃料電池車両は、エアクリーナを介して外気をポンプで吸気し、吸気した外気を酸化剤ガスとして燃料電池に圧送するものである。エアクリーナは、外気が導入されるケースを備え、そのケース内で外気中の異物を分離する。分離によってろ過された外気は、ケース外の供給路に排出され、燃料電池に供給される。
特開2004−182220号公報
ところで、燃料電池車両が降雪地帯を走行する場合、雪まじりの外気がエアクリーナに導入され得る。導入された雪は異物と同様にケース内で分離されるが、分離された雪はケース内に溜まり、解氷しきれずに残る場合がある。また、氷点下の環境下では、ケース内で分離又は滞留した水分が凝縮して、ケース内で凍結する場合もある。このような雪の滞留や水分の凍結が起きると、ケース内の流路又はフィルタが閉塞されるおそれがある。その結果、ポンプが十分な流量の酸化ガスを燃料電池に供給できず、燃料電池の出力がトラクションモータの要求駆動力を満たすことができないおそれがある。
このような問題について、従来の特許文献1では何ら検討されておらず、改良の余地があった。
本発明は、エアクリーナでの凍結を抑制できる燃料電池システム及び移動体を提供することをその目的としている。
上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に供給されるエアを浄化するエアクリーナと、エアクリーナを加熱する加熱手段と、を備えたものである。
この構成によれば、例えばエアクリーナに雪が導入されても、その雪を加熱によりとかすことができる。これにより、氷点下などの低温時であっても、エアクリーナでの凍結を抑制できる。また、この凍結抑制により、エアクリーナでのエア流れに支障が生じることを抑制でき、燃料電池へのエア流量を確保できる。
好ましくは、加熱手段は、エアクリーナに設けられたヒータからなる。
こうすることで、簡易な構成により、エアクリーナを加熱することができる。
より好ましくは、エアクリーナは、エア入口及びエア出口を有するケースと、エア入口とエア出口との間においてケース内に配置されたフィルタと、を備える。そして、ヒータは、ケースの外面側に設けられる。
この構成によれば、既存のエアクリーナを利用して、ケース内を昇温できる。
別の好ましい態様では、燃料電池システムは、燃料電池システムの構成機器に冷媒を循環供給する冷却系統を有する。そして、加熱手段は、構成機器を通流した冷媒をエアクリーナに供給する冷却系統の一部で構成される。
この構成によれば、燃料電池システムの構成機器を通流した冷媒の排熱により、エアクリーナを昇温できる。これにより、燃料電池システムの構成機器の排熱を有効に利用でき、別途、ヒータなどの熱源を設けなくて済むようになる。
好ましくは、上記の構成機器は燃料電池である。
こうすることで、電気化学反応により熱を発生する燃料電池の排熱を用いて、エアクリーナを昇温できる。
より好ましくは、エアクリーナは、エア入口及びエア出口を有するケースと、エア入口とエア出口との間においてケース内に配置されたフィルタと、を備える。そして、ケースには、加熱手段を構成する冷却系統の一部の流路が形成される。
好ましくは、燃料電池システムは、外気温を検出する温度センサと、温度センサの検出結果に基づいて、加熱手段によるエアクリーナへの加熱量を制御する制御装置と、を備える。
この構成によれば、例えば、エアクリーナでの凍結が生じない外気温のときには、エアクリーナの加熱をしないで済む一方、エアクリーナでの凍結が生じ得る外気温のとき、例えば、外気温が氷点下のときや、雪がエアにまじるときには、エアクリーナを加熱できる。これにより、熱エネルギーの消費を抑制しつつ、エアクリーナでの凍結を抑制できる。
別の好ましい態様では、燃料電池システムは、エアクリーナを介してエアを吸気して燃料電池に圧送する圧縮機と、エアクリーナへのエアの吸気量及び吸気温度、並びに前記エアクリーナからのエアの圧送量及び圧送温度の少なくとも一つに基づいて、加熱手段によるエアクリーナへの加熱量を制御する制御装置と、を更に備える。
この構成によれば、例えば、エアの吸気量又は圧送量が低下した場合、その低下の原因として考えられるエアクリーナの凍結を加熱により迅速に解消できる。また、例えば、外気温に近い吸気温度又は圧送温度が氷点下のときにも、エアクリーナを加熱できる。このように、エアの吸気量、吸気温度、圧送量及び圧送温度の少なくとも一つに基づいて加熱量を制御することで、熱エネルギーの消費を抑制しつつ、エアクリーナでの凍結を抑制できる。
上記目的を達成するための本発明の移動体は、上記した本発明の燃料電池システムを備えたものである。
この構成によれば、エアクリーナでの凍結が抑制されているので、移動体が例えば降雪地や寒冷地を移動する場合や、低温環境下で使用される場合であっても、移動体の要求駆動力に対応したエア流量を燃料電池に供給できる。これにより、移動体の要求駆動力を満たすことができる。
上記した本発明の燃料電池システム及び移動体によれば、エアクリーナを加熱できるため、エアクリーナでの凍結を抑制できる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システム及び移動体について説明する。この燃料電池システムは、エアクリーナを加熱できるように構成したことを特徴とする。以下では、燃料電池システムを搭載する移動体として、車両を例に説明する。
<第1実施形態>
図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池2と、酸化ガスとしての空気(酸素)を燃料電池2に供給する酸化ガス配管系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、燃料電池2に冷媒を供給して燃料電池2を冷却する冷媒配管系5と、システム1の電力を充放電する電力系6と、システム1全体を統括制御する制御装置7と、を備える。
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る。燃料電池2の単セルは、電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気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する。一方のセパレータの酸化ガス流路2aに酸化ガスが供給され、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。
酸化ガス配管系3は、燃料電池2に供給される酸化ガスが流れる供給路11と、燃料電池2から排出された酸化オフガスが流れる排出路12と、を有する。供給路11には、エアクリーナ13を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ14(圧縮機)と、コンプレッサ14により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器15と、が設けられる。排出路12を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁16を通って加湿器15で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
燃料ガス配管系4は、水素供給源21と、水素供給源21から燃料電池2に供給される水素ガスが流れる供給路22と、燃料電池2から排出された水素オフガスを供給路22の合流点Aに戻すための循環路23と、循環路23内の水素オフガスを供給路22に圧送するポンプ24と、循環路23に分岐接続されたパージ路25と、を有する。元弁26を開くことで水素供給源21から供給路22に流出した水素ガスは、調圧弁27その他の減圧弁、及び遮断弁28を経て、燃料電池2に供給される。パージ路25には、水素オフガスを外部の水素希釈器(図示省略)に排出するためのパージ弁33が設けられる。
冷媒配管系5(冷却系統)は、冷媒流路41、冷却ポンプ42、ラジエータ43、バイパス流路44及び切替え弁45を有する。冷媒流路41は、燃料電池2内の冷却流路2cに連通する。冷媒流路41は、燃料電池2の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ46と、燃料電池2の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ47と、を有する。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。冷却ポンプ42は、冷媒流路41に設けられており、モータ駆動により、冷媒流路41内の冷媒を燃料電池2に循環供給する。ラジエータ43は、燃料電池2から排出される冷媒を冷却する。バイパス流路44は、ラジエータ43をバイパスする。切り替え弁45は、ラジエータ43及びバイパス流路44への冷却水の通流を設定する。
電力系6は、高圧DC/DCコンバータ61、バッテリ62、トラクションインバータ63、トラクションモータ64、及び各種の補機インバータ65,66,67を備える。高圧DC/DCコンバータ61によって、バッテリ62の充放電が実現されると共に、燃料電池2の出力電圧が制御される。トラクションインバータ63は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ64に供給する。トラクションモータ64は、燃料電池システム1が搭載される車両90の主動力源を構成する三相交流モータであり、車両90の車輪91L,91Rに連結される。補機インバータ65、66、67は、それぞれ、コンプレッサ14、ポンプ24、冷却ポンプ42のモータの駆動を制御する。
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、後述する加熱量の制御など、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、ガス系統(3,4)や冷媒系統5に用いられる圧力センサ及び温度センサ(46,47)、車両90のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ、並びに、外気温を検出する外気温センサ71などの各種センサからの検出信号を入力する。そして、制御装置7は、各構成要素に制御信号を出力する。
図2は、エアクリーナ13の構成を模式的に示す断面図である。
図2に示すように、エアクリーナ13は、箱形のケース81を有する。ケース81の内部には、例えば、通過する気体(空気)中の塵埃を吸着するペーパタイプのエアフィルタ82が配設される。このエアフィルタ82によって、ケース81内は、吸入側空間部81aと排出側空間部81bとに区画される。
ケース81には、吸入側空間部81aにエア入口83が設けられ、排出側空間部81bにエア出口84が設けられる。エア入口83は、下方に開口しており、大気に開放される。エア出口84は、コンプレッサ14につながる供給路11に連結される。ケース81の底部81cには、ドレイン弁86が接続される。ドレイン弁86の位置は、エアフィル82の上流側の空間である吸入側空間部81aの方にあることが好ましいが、特に限定されるものではない。
このような構成により、コンプレッサ14が駆動すると、エアクリーナ13では、エア入口83から吸入側空間部81a内に外気が導入され、この外気がエアフィルタ82を通過する。そして、この通過によって塵埃が除去されて浄化された外気は、排出側空間部81bへと送り込まれ、エア出口84からコンプレッサ14に引き込まれ、燃料電池2に供給される。また、ドレイン弁86が開弁されることで、ケース81の底部に滞留し得る水分が外部に排出される。
ここで、車両90が例えば降雪地や寒冷地を走行する場合、あるいは低温環境下で使用される場合、エアクリーナ13内には、外気と共に雪が取り込まれ得る。この取り込まれた雪は、他の異物と同様にエアフィルタ82で捕捉され、エアフィルタ82にそのまま付着して残り、空気の流れを阻害する要素となる。そこで、本実施形態では、エアクリーナ13を加熱する加熱手段としてヒータ100を設け、エアクリーナ13の凍結を抑制するようにしている。
ヒータ100は、ケース81の外面に接触状態又は非接触状態で設けられる。ここでは、ヒータ100は、ケース81の外周面に亘って接触状態で設けられている。こうすることで、ケース81内を広く加熱できるので、ケース81内を迅速に昇温することが可能となる。
ただし、ヒータ100は、ケース81内を昇温できる構成であればその位置等について限定されるものではなく、例えばケース81の内部に設けることもできる。また、他の態様では、ヒータ100をエアフィルタ82の近傍に設けることが好ましい。このような位置に設ければ、エアフィルタ82を集中的に加熱できる。これにより、エアフィルタ82が凍結した場合に、それを迅速に解氷することができる。なお、ケース81外にヒータ100を設ける場合には、ケース81内への熱伝導性を考慮し、ケース81を熱伝達率の高い材料で構成することが好ましい。
ヒータ100は、制御装置7に電気的に接続されており、加熱温度、加熱時間、加熱開始タイミング及び加熱量等が制御装置7によって制御される。エアクリーナ13を加熱する必要がないときにまでヒータ100を駆動すると、かえってシステム効率が低下するので好ましくない。そのため、ヒータ100は、エアクリーナ13が凍結するおそれがあるとき又は凍結していると判断される場合に限り、駆動されることが好ましい。この凍結の判断は、例えば、次の4つの方法により行うことができる。
第1の方法は、外気温センサ71を利用するものである。具体的には、制御装置7は、外気温センサ71の検出温度が例えば氷点下(0℃)である場合に、ヒータ100を駆動し、ケース81内で凍結が生じないようにヒータ100の加熱量を制御する。一方で、外気温センサ71の検出温度が氷点下(0℃)を超える場合には、制御装置7はヒータ100を停止しておけばよい。
第2の方法は、コンプレッサ14の下流側に設けた流量計72を利用するものである。流量計72が検出した空気流量が燃料電池2の要求値を下回る場合、エアフィルタ82が雪で閉塞されてエアクリーナ13が凍結していると判断される。よって、この場合には、制御装置7は、ケース81内での凍結を解消するように、ヒータ100を駆動するとよい。一方で、流量計72が検出した空気流量が燃料電池2の要求値である場合には、ヒータ100は停止したままでよい。
第3の方法は、特に図示しないが、トラクションモータ64の要求駆動力と実際の駆動力との比較を利用するものである。トラクションモータ64の要求駆動力が達成されない場合には、第2の方法で記載したようにエアフィルタ82が氷結により閉塞され、要求駆動力に対応した空気流量が燃料電池2に供給されていないと考えられる。よって、この場合には、制御装置7は、ケース81内での凍結を解消するように、ヒータ100を駆動するするとよい。一方で、トラクションモータ64の要求駆動力が達成されている場合には、ヒータ100は停止したままでよい。
第4の方法は、エアクリーナ13に関連する各種の状態量の検出結果を利用するものである。図3に示すように、エア入口83側に温度センサ121及び流量計122が設けられ、エア出口84側に温度センサ131及び流量計132が設けられ、これらは制御装置7に電気的に接続される。温度センサ121及び流量計122は、それぞれ、ケース81内に吸気される外気の吸気温度及び吸気量を計測する。同様に、温度センサ131及び流量計132は、それぞれ、ケース81外に圧送される外気の圧送温度及び圧送量を計測する。
ヒータ100を駆動していない場合、温度センサ121、131による吸気温度及び圧送温度は、実質的に外気温と同じである。よって、外気温センサ71の代わりに、温度センサ121又は131を用いて、第1の方法と同様にヒータ100を制御してもよい。また、ヒータ100を駆動した場合には、温度センサ121によってケース81内での凍結のおそれを継続して判断すると共に、温度センサ131によってケース81内の温度上昇を把握し、ヒータ100の加熱量を決定するとよい。
また、流量計122、132による吸気量及び圧送量が、燃料電池2の要求値を下回る場合には、第2の方法で記載したようにエアフィルタ82が氷結により閉塞されていると考えられる。よって、この場合には、制御装置7は、ケース81内での凍結を解消するようにヒータ100を駆動するとよい。そして、ヒータ100を駆動した場合には、流量計132によって凍結の解消度合いを把握し、ヒータ100の加熱量を決定するとよい。
なお、第4の方法でヒータ100を制御する場合、吸気温度、吸気量、圧送温度及び圧送量の全てを検出してもよいが、そのうちの一つであってもよい。また、第1〜第4の方法は併用できることは言うまでもない。
以上説明したように、本実施形態によれば、エアクリーナ13での凍結をヒータ100により抑制できる。よって、低温環境下等であっても、燃料電池2に対し所望の空気流量を確保できる。つまり、燃料電池2の出力に要求される流量の空気を燃料電池2に供給できるので、トラクションモータ64の要求駆動力を満たすことができる。また、ヒータ100により解氷した雪はケース81の底部に液体として滞留するが、ここにドレイン弁86を設けているので、外部に排水できる。よって、ケース81の底部の凍結も抑制できる。
なお、ヒータ100は、車両90の始動直後から駆動開始されるものであってもよいが、始動直後はそれほど燃料電池2の出力が要求されないので、出力が要求される車両90の走行中に限ってヒータ100を駆動するようにしてもよい。
<第2実施形態>
次に、図4ないし図6を参照して、第2実施形態に係る燃料電池システム1について相違点を中心に説明する。第1実施形態との相違点は、エアクリーナ13を加熱する加熱手段として、ヒータ100に代えて冷媒配管系5を用いたことである。その他の点は、同様であるので、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図4に示すように、冷媒配管系5の一部は、燃料電池2を通流した冷媒をエアクリーナ13に供給するように構成され、加熱手段を構成する。一例では、加熱手段を構成する冷却配管系5の一部は、主としてバイパス流路44である。バイパス流路44内の冷媒の温度は燃料電池2の発電反応によって所定の温度(燃料電池2の温度)にまで上昇しているので、この冷媒を用いればエアクリーナ13を加熱できるからである。
なお、バイパス流路44に限られないことは言うまでもないが、エアクリーナ13を加熱するのに用いられる冷媒は、燃料電池2から排出された冷媒であってラジエータ43によって冷却されていない冷媒であることが好ましい。また、エアクリーナ13を加熱するのに用いられる冷媒は、バイパス流路44から分岐して冷媒流路41に合流する分岐流路を流れるものであってもよい。
エアクリーナ13を加熱する冷媒配管系5の構造としては、例えば、二つ考えられる。
第1の構造は、図5に示すように、バイパス流路44の一部である冷媒流路200をケース81自体に形成するものである。この場合、冷媒流路200の配管をケース81の周壁に埋め込み、ケース81を周方向から加熱できるようにするとよい。例えば、冷媒流路200の配管をケース81にらせん状に埋め込み、ケース81を広い領域で加熱できるようにしてもよい。ただし、より好ましくは、冷媒流路200の配管をエアフィルタ82の近傍に設けるとよい。
第2の構造は、図6に示すように、バイパス流路44の一部である配管210の外周面をケース81の外面に接触状態で設けるものである。この場合も、配管210はケース81に広い面積で接触することが好ましく、エアフィルタ82の近傍でケース81の外面にらせん状に接触するとよい。
本実施形態によれば、冷媒流路200又は配管210を流れる冷媒によって、エアクリーナ13を加熱できる。よって、第1実施形態のヒータ100のような熱源を別途設けなくとも、第1実施形態と同様に、エアクリーナ13での凍結を抑制でき、トラクションモータ64の要求駆動力を満たすことができる。
詳述しないが、本実施形態においても、第1実施形態で説明した第1〜第4の方法により、エアクリーナ13の凍結のおそれ又は有無を判断した上で、エアクリーナ13を加熱するか否かが決定されるとよい。そして、エアクリーナ13の加熱量の制御は、切替え弁45の設定位置又はラジエータ43による冷却量(例えば、ラジエータ43に付設されるファンの回転数)を制御装置7により制御することで、実行されるとよい。
他の実施態様では、燃料電池2以外の構成機器を通流した冷媒を、エアクリーナ13に導いてこれを加熱してもよい。例えば、ポンプ24等の機器を通流した冷媒や、電力系6の機器、例えば高圧DC/DCコンバータ61、トラクションインバータ63、及び補機インバータ65,66,67のいずれかを通流した冷媒を、エアクリーナ13に導いてもよい。
本発明の燃料電池システム1は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム1は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。
第1実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 第1実施形態に係るエアクリーナ及びヒータを示す概略断面図である。 第1実施形態の変形例に係るエアクリーナ及びヒータを示す概略断面図である。 第2実施形態に係るエアクリーナ及び冷却回路を示す概略断面図である。 第2実施形態の第1の構造例に係るエアクリーナ及び冷却回路を示す概略断面図である。 第2実施形態の第2の構造例に係るエアクリーナ及び冷却回路を示す概略断面図である。
符号の説明
1:燃料電池システム、2:燃料電池、7:制御装置、13:エアクリーナ、71:外気温センサ、81:ケース、82:フィルタ、83:エア入口、84:エア出口、100:ヒータ(加熱手段)、200:冷媒流路(加熱手段)、210:配管(加熱手段)

Claims (10)

  1. 燃料電池と、当該燃料電池に供給されるエアを浄化するエアクリーナと、を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記エアクリーナを介してエアを吸気して前記燃料電池に圧送する圧縮機と、
    前記エアクリーナを加熱する加熱手段と、
    前記エアクリーナの凍結のおそれ又は有無を判断し、前記エアクリーナが凍結するおそれがある又は凍結していると判断した場合に、前記エアクリーナを加熱するように前記加熱手段を制御する制御装置と、を備え、
    前記エアクリーナは、エア入口及びエア出口を有するケースを有し、
    前記制御装置は、外気温、前記ケース内へのエアの吸気温度及び前記ケース内からのエアの圧送温度の少なくとも一つに基づいて、前記加熱手段による前記エアクリーナへの加熱量を制御するものであり、
    前記制御装置は、前記エアクリーナが加熱された場合に、前記吸気温度に基づいて前記ケース内での凍結のおそれを判断すると共に、前記圧送温度に基づいて当該ケース内の温度上昇を把握して前記加熱手段による加熱量を決定する、燃料電池システム。
  2. 前記加熱手段は、前記エアクリーナに設けられたヒータからなる、請求項1に記載の燃料電池システム。
  3. 前記エアクリーナは、前記エア入口と前記エア出口との間において前記ケース内に配置されたフィルタを備えており、
    前記ヒータは、前記ケースの外面側に設けられている、請求項2に記載の燃料電池システム。
  4. 当該燃料電池システムの構成機器に冷媒を循環供給する冷却系統を有しており、
    前記加熱手段は、前記構成機器を通流した冷媒を前記エアクリーナに供給する前記冷却系統の一部で構成されている、請求項1に記載の燃料電池システム。
  5. 前記構成機器は、前記燃料電池である、請求項4に記載の燃料電池システム。
  6. 前記エアクリーナは、前記エア入口と前記エア出口との間において前記ケース内に配置されたフィルタを備えており、
    前記ケースには、前記加熱手段を構成する前記冷却系統の一部の流路が形成されている、請求項4又は5に記載の燃料電池システム。
  7. 前記エアクリーナは、前記エア入口と前記エア出口との間において前記ケース内に配置されたフィルタを備えており、
    前記ケースには、前記加熱手段を構成する前記冷却系統の一部の配管が接触している、請求項4又は5に記載の燃料電池システム。
  8. 前記冷却系統は、ラジエータと、当該ラジエータをバイパスするバイパス流路と、を有しており、
    前記冷却系統の一部は、前記バイパス流路である、請求項4ないし7のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御装置は、前記エアクリーナが凍結するおそれがない又は凍結していないと判断した場合には、前記エアクリーナを加熱しないように前記加熱手段を制御する、請求項1ないし8のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  10. 請求項1ないしのいずれか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
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