JP5440452B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は燃料電池システムに係り、特に、水素ガス供給装置と燃料電池スタックとの熱交換を効果的に行わせ、両者の雰囲気を適温となる温度域にし、過熱や過冷却となることを防止することができる燃料電池システムに関する。
燃料電池車両に搭載される燃料電池システムは、電気化学反応により発電し、それに付随して水を生成する。燃料電池システムの燃料電池は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して燃料電池スタックを構成している。通常の固体高分子型燃料電池において、図６に示すように、セル１０１は、水素および空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極１０２とカソード極１０３に挟まれて拡散層１０４・１０５および反応活性化のための触媒層１０６・１０７、そして中央に水素イオンを選択的に透過させる電解質膜１０８を配している。
アノード極１０２に供給された水素分子は、アノード極１０２の電解質膜１０８の表面にある触媒層１０６において活性な水素原子となり、さらに水素イオンとなって電子を放出する。図６において、（１）で示されるこの反応は、以下の式１で表される。
・Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （式１）
式１により発生した水素イオンは、電解質膜１０８に含まれる水分を伴ってアノード極１０２側からカソード極１０３側へと電解質膜１０８中を移動し、また電子は外部回路１０９を通じてカソード極１０３に移動する。この電子の移動により、外部回路１０９に介装された負荷（例えば、車両の走行用モータ）１１０には、電流が流れる。
一方、カソード極１０３に供給された空気中の酸素分子は、触媒層１０７において外部回路１０９から供給された電子を受け取り酸素イオンとなり、電解質膜１０８を移動してきた水素イオンと結合して水となる。図６において、（２）で示されるこの反応は、以下の式２で表される。
・1/2 ０２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２０ （式２）
このようにして生成された水分の一部は、濃度拡散によりカソード極１０３からアノード極１０２へと移動する。上述の化学反応において、セル１０１内部では電解質膜１０８や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素が電気化学反応を起こすための活性化過電圧、拡散層１０４・１０５中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧など様々な損失が発生し、それにより発生した廃熱を冷却する必要がある。
上記セル１０１を備えた燃料電池システムには、水冷式のものと空冷式のものがある。
まず、従来の燃料電池車両の一般的な水冷式の燃料電池システムの構成を図７に示す。図７に示す燃料電池システム２０１は、前述最小構成単位のセルを多数積層した燃料電池スタック２０２を備え、燃料電池スタック２０２に水素ガスを供給する水素ガス供給装置２０３を備えている。
水素ガス供給装置２０３は、高圧の水素タンク２０４に貯蔵した圧縮水素ガスを、水素供給配管２０５により減圧弁２０６を介して燃料電池スタック２０２のアノード吸気部２０７に導入する。この際、水素ガスは気体の断熱膨張によりその温度が低下し、これにより、水素タンク２０４および水素タンク２０４から燃料電池スタック２０２に至る水素供給配管２０５、またその途中にあるシャットオフバルブや減圧弁２０６を始めとする水素系部品が冷却される。
一方、燃料電池システム２０１は、燃料電池スタック２０２に空気を供給する空気供給ダクト２０８と、燃料電池スタック２０２から余剰空気を排出する空気排出ダクト２０９とを備えている。空気供給ダクト２０８は、フィルタ２１０を通して吸入した外気を高圧のコンプレッサ２１１により圧縮して燃料電池スタック２０２のカソード吸気部２１２に導入することにより、燃料電池スタック２０２で発電が行われる。
燃料電池スタック２０２で発電に使用されなかった余剰空気は、燃料電池スタック２０２のカソード排気部２１３からカソード排気として空気排出ダクト２０９に排出される。空気排出ダクト２０９に排出されたカソード排気は、気水分離器２１４により排気中の水分の一部が分離された後、カソード系の圧力制御を目的とした背圧弁２１５を介して外気に放出される。
また、燃料電池スタック２０２で発電に使用されなかった余剰水素ガスは、アノード排気部２１６からアノード排気として水素パージ配管２１７に排出される。水素パージ配管２１７は、空気排出ダクト２０９の途中に接続されている。水素パージ配管２１７に排出されたアノード排気は、前記カソード排気と同様に気水分離器２１８を通り、パージ弁２１９を経て空気排出ダクト２０９のカソード排気に混入される。
アノード排気部２１６からのアノード排気であるパージ水素排気量は、カソード排気量に比べて十分に相対的に流量が小さい。このため、カソード排気により、アノード排気部２１６からのパージ水素を可燃下限濃度である４％以下として外気に放出することができる。なお、燃料電池システムによっては、水素の利用率を向上させるため、水素パージ配管２１７を水素戻し配管２２０によりアノード吸気部２０７に接続し、水素戻し配管２１０に設けた水素ポンプ２２１を用いてアノード排気をアノード吸気部２０７に再循環させるものもある。
ここで、水冷式の燃料電池システム２０１の冷却システム２２２について説明する。冷却システム２２２は、燃料電池スタック２０２の冷却水を冷却するラジエータ２２３を備えている。冷却システム２２２は、燃料電池スタック２０２をラジエータ２２３に冷却水導入通路２２４で接続し、ラジエータ２２３を燃料電池スタック２０２に冷却水導出通路２２５で接続し、冷却ループを構成している。
冷却システム２２２は、燃料電池スタック２０２の上流あるいは下流、図７においては下流に接続された冷却水導入通路２２４に水ポンプ２２６を備え、冷却水をラジエータ２２３に圧送する。燃料電池スタック２０２を冷却した冷却水は、ラジエータ２２３において大気と熱交換した後、冷却水導出通路２２５により再度燃料電池スタック２０２に戻される。
この冷却システム２２２には、暖房装置２２７を設けている。暖房装置２２７は、冷却水導入通路２２４と冷却水導出通路２２５とを接続する暖房通路２２８を備え、暖房通路２２８にラジエータ２２３と並列に調整弁２２９を介して車室内暖房のためのヒータコア２３０を備えている。暖房装置２２７は、暖房が必要な場合は調整弁２２９を開けることでヒータコア２２８に高温冷却水を供給し、送風のためのファン２３１を駆動することにより車室内の暖房に供する。
上述のように、水冷式の燃料電池システム２０１においては、燃料電池スタック２０２の出力密度を向上させるために、空気供給ダクト２０８の導入空気を圧縮するコンプレッサ２１１を始めとして多くの補機類を備えている。このため、水冷式の燃料電池システム２０１は、システムの複雑化、大型化、重量化、高コスト化に繋がる。これに対して、コンプレッサなどの補機類を極力廃し、燃料電池の冷却に空冷方式を採用し、システムを簡素化した空冷式の燃料電池システムがある。
図８・図９は、空冷式の燃料電池システム３０１を示している。図８に示すように、空冷式の燃料電池システム３０１は、前述水冷式の燃料電池システム２０１と同様に、最小構成単位のセルを多数積層した燃料電池スタック３０２を備え、燃料電池スタック３０２に水素ガスを供給する水素ガス供給装置３０３を備えている。水素ガス供給装置３０３は、高圧の水素タンク３０４に貯蔵した圧縮水素ガスを、水素供給配管３０５により減圧弁３０６を介して燃料電池スタック３０２のアノード吸気部３０７に導入する。この際、水素ガスの断熱膨張による温度低下で、水素タンク３０４、水素供給配管３０５、減圧弁３０６を始めとする水素系部品が冷却される。
しかし、空冷式の燃料電池システム３０１は、一般的に水冷式の燃料電池システムのようにカソード吸気における高圧のコンプレッサを有していない。燃料電池システム３０１は、図９に示すように、燃料電池スタック３０２に空気を供給する空気供給ダクト３０８と、燃料電池スタック３０２から余剰空気を排出する空気排出ダクト３０９とを備えている。空気供給ダクト３０８は、フィルタ３１０を通して吸入した外気を低圧のブロアファン３１１によって燃料電池スタック３０２のカソード吸気部３１２に供給する。
また、カソード吸気部３１２に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池スタック３０２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、冷却媒体として燃料電池スタック３０２における廃熱を奪い、燃料電池スタック３０２を冷却する役割を有している。
水素との反応後の余剰空気及び燃料電池スタック３０２を冷却後の空気は、図９に示すように、燃料電池スタック３０２のカソード排気部３１３からカソード排気として空気排出ダクト３０９に排出され、外気に放出される。燃料電池スタック３０２で発電に使用されなかった余剰水素ガスは、アノード排気部３１４からアノード排気として水素パージ配管３１５に排出される。水素パージ配管３１５は、空気排出ダクト３０９の途中に接続されている。水素パージ配管３１５に排出されたアノード排気は、パージ弁３１６を経て空気排出ダクト３０９のカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出する。
このように、低圧のブロアファン３１１により反応ガス兼冷却媒体としての空気の供給を行う空冷式の燃料電池システム３０１においては、消費電力の低下やシステムの小型・軽量・簡素化が図られる一方で、空気流量の制限により前述水冷式の燃料電池システムに比べて冷却能力が相対的に低く、故に燃料電池スタック３０２の運転可能な温度範囲が狭いことがある。このため、夏季などの高温時に燃料電池スタック３０２のオーバーヒートに繋がる懸念がある。
上述のように、水冷式の燃料電池システムおよび空冷式の燃料電池システムにおいては、燃料である水素を高圧ガスとして貯蔵する水素タンクから燃料電池スタックに対して水素を供給する際、燃料である水素ガスは断熱膨張により冷却される。そして低温となった水素ガスにより、水素タンクそのものに加え、水素タンクと燃料電池スクックとの間に備える減圧弁や圧力調整用レギュレータなど各種水素系部品が過冷却され、それら水素系部品の耐久性や信頼性に影響を与える可能性が指摘されている。
このような不具合を避けるため、例えば、実開平１−７７２６７号や特開２００７−１６１０２４号のように、水素ガス配管と燃料電池冷却用の冷却水配管、あるいは水素ガス配管と燃料電池システムからの排気ガス配管とを隣接して配置するような技術が開示されている。また、例えば、特開２００５−４４５２０号には、燃料電池スタックの冷却系のラジエータの放出した熱を受熱可能な位置に、水素系部品をレイアウトする技術が開示されている。
実開平１−７７２６７号公報 特開２００７−１６１０２４号公報 特開２００５−４４５２０号公報
しかしながら、前記特許文献１及び特許文献２に開示される技術は、低温の水素ガス配管と高温の冷却水や排気ガス配管とを隣接させるのみであり、両者の間の熱交換効率は良好なものとは言えないものである。
また、前記特許文献３に開示される技術では、ラジエータは通常、車両の前方に搭載されるのに対し、水素タンクは車両のフロア下中央部から後方にかけて搭載されることが多いため、本技術を採用するためにはレイアウトの制約が大きい問題がある。
この発明は、水素ガスの断熱膨張による水素系部品の低温化を防止するとともに、燃料電池スタックの冷却性能を向上させることを目的とする。
この発明は、水素タンクに充填された水素ガスを減圧して燃料電池スタックに供給する水素ガス供給装置と、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給ダクトと、燃料電池スタックから余剰空気を排出する空気排出ダクトとを備える燃料電池システムにおいて、前記水素ガス供給装置を前記空気供給ダクトおよび空気排出ダクトと連通する熱交換チャンバ内に配置し、前記水素ガス供給装置の温度が所定温度より低い場合には前記燃料電池スタックから排出される空気を前記熱交換チャンバに導入して前記水素ガス供給装置を加熱する一方、前記燃料電池スタックから排出される空気が所定温度より高い場合には前記熱交換チャンバに導入されるとともに前記水素ガス供給装置によって冷却された空気を前記燃料電池スタックに供給するようにしたことを特徴とする。
この発明の燃料電池システムは、空気供給ダクトおよび空気排出ダクトと連通する熱交換チャンバ内に水素ガス供給装置を配置した構造によって、水素ガス供給装置の温度が所定温度より低い場合には、燃料電池スタックから排出される高温の空気によって水素ガス供給装置を加熱して水素ガス供給装置の低温化を防止できる。
また、この発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出される空気が所定温度より高い場合には、熱交換チャンバに導入されるとともに水素ガス供給装置によって冷却された空気を燃料電池スタックに供給でき、燃料電池スタックの冷却性能を向上させることができる。
燃料電池システムのブロック図である。（実施例） 熱交換チャンバの断面図である。（実施例） 低温時の燃料電池システムの動作を示すブロック図である。（実施例） 高温時の燃料電池システムの動作を示すブロックである。（実施例） 燃料電池システムの状態遷移図である。（実施例） 燃料電池のセルの断面図である。（従来例） 水冷式の燃料電池システムのブロック図である。（従来例） 空冷式の燃料電池システムのブロック図である。（従来例） 空冷式の燃料電池システムの水素及び空気の流れを示すブロック図である。（従来例）
以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。
図１〜図５は、この発明の実施例を示すものである。図１において、１は燃料電池車両に搭載される燃料電池システムである。燃料電池システム１は、前述（図６〜図９）のように、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層した燃料電池スタック２を備え、電気化学反応により発電し、それに付随して水を生成する。燃料電池システム１は、燃料電池スタック２に水素ガスを供給する水素ガス供給装置３を備えている。水素ガス供給装置３は、高圧の水素タンク４に貯蔵した圧縮水素ガスを、水素供給配管５により減圧弁６を介して燃料電池スタック２のアノード吸気部７に導入する。
また、燃料電池システム１は、一般的に水冷式の燃料電池システムのようにカソード吸気における高圧のコンプレッサを有さず、燃料電池スタック２に空気を供給する空気供給ダクト８と、燃料電池スタック２から余剰空気を排出する空気排出ダクト９とを備えている。空気供給ダクト８は、フィルタ１０を通して吸入した外気を低圧のブロアファン１１によって燃料電池スタック２のカソード吸気部１２に供給する。カソード吸気部１２に供給された空気は、水素との反応ガスとして燃料電池スタック２内に多数積層したセルにおける発電反応に供するのみでなく、冷却媒体として燃料電池スタック２における廃熱を奪い、燃料電池スタック２を冷却する役割を有している。
したがって、燃料電池スタック２は、空気を反応ガス兼冷却媒体とする空冷式燃料電池スタックである。よって、燃料電池システム１は、空冷式燃料電池システムである。
水素との反応後の余剰空気及び燃料電池スタック２を冷却後の空気は、燃料電池スタック２のカソード排気部１３からカソード排気として空気排出ダクト９に排出され、外気に放出される。燃料電池スタック２で発電に使用されなかった余剰水素ガスは、アノード排気部１４からアノード排気として水素パージ配管１５に排出される。水素パージ配管１５は、空気排出ダクト９の途中に接続されている。水素パージ配管１５に排出されたアノード排気は、パージ弁１６を経て空気排出ダクト９のカソード排気に混入される。アノード側の水素ガスパージを行う際には、排気水素ガスをカソード排気により可燃下限濃度以下に希釈して外気に放出する。
この燃料電池システム１は、水素ガス供給装置３を空気供給ダクト８および空気排出ダクト９と連通する熱交換チャンバ１７内に配置している。熱交換チャンバ１７は、密閉のチャンバ構造でなくとも良い。この実施例の熱交換チャンバ１７は、図２に示すように、上方が開放した断面形状の下側チャンバ部１８と、下側チャンバ部１８の開口部１９を覆う上側チャンバ部２０とからなる。上側チャンバ部２０は、燃料電池車両のフロア２１に上方に突出した形状に形成している。熱交換チャンバ１７は、下側チャンバ部１８を上側チャンバ部２０に固定具２２で取り付けることで、下側チャンバ部１８の上方の開口部１９が上側チャンバ部２０によって閉鎖される。
熱交換チャンバ１７は、空気供給ダクト８に連通する第１連通部２３と、空気排出ダクト９に連通する第２連通部２４と、水素供給配管５内の水素ガスの流れ方向上流部（水素タンク４側）にてこの熱交換チャンバ１７の内部と外部を連通する第３連通部２５とを備えている。前記第１連通部２３および第２連通部２４には、これらの各連通部２３・２４を開閉する第１切換弁２６および第２切換弁２７を配置している。前記第３連通部２５には、送風方向を熱交換チャンバ１７の内部と外部とに切り換え可能な送風ファン２８を配置している。
前記第１連通部２３は、空気供給ダクト８の空気流れ方向で、ブロアファン１１よりも下流側であって燃料電池スタック２のカソード吸気部１２直上流に連通している。前記第２連通部２４は、空気排出ダクト９の空気流れ方向で、燃料電池スタック２のカソード排気部１３直下流に連通している。前記燃料電池スタック２のアノード排気部１４に接続された余剰水素ガスを排出する水素パージ配管１５は、下流端部を空気排出ダクト９の空気流れ方向で、第２連通部２４よりも下流側に接続している。前記第３連通部２５に配置した送風ファン２８は、防爆構造を有し、モータを順回転・逆回転させることにより、熱交換チャンバ１７ヘの送風および熱交換チャンバ１７からの排風を可能としている。
このように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２ヘの空気供給ダクト８および燃料電池スタック２からの空気排気ダクト９に接続する形で熱交換チャンバ１７を形成し、水素ガス供給装置３の水素タンク４、水素供給配管５、減圧弁６を始めとする水素系部品および水素供給配管を熱交換チャンバ１７内に配置している。これにより、この燃料電池システム１は、空気供給ダクト８と空気排出ダクト９、そして水素タンク４から燃料電池スタック２ヘの水素供給配管５および減圧弁６などの水素系部品との間で、熱交換可能な構成としている。
この燃料電池システム１は、空気供給ダクト８のフィルタ１０・ブロアファン１１間に供給する空気の温度を検出する供給空気温度センサ２９を備え、空気排出ダクト９の水素パージ配管１５が接続されるＶよりも上流側に排出される空気の温度を検出する排出空気温度センサ３０を備え、水素ガス供給装置３の水素タンク４にタンク温度を検出する水素タンク温度センサ３１を備え、また、熱交換チャンバ１７に内部の水素ガス濃度を検出する水素ガス濃度センサ３２を備えている。燃料電池システム１は、第１切換弁２６、第２切換弁２７、送風ファン２８を、供給空気温度センサ２９、排出空気温度センサ３０、水素タンク温度センサ３１、水素ガス濃度センサ３２の検出信号に基づいて制御する制御手段３３を備えている。
燃料電池システム１は、制御手段３３によって、供給空気温度センサ２９、排出空気温度センサ３０、水素タンク温度センサ３１の検出する温度に基づいて、第１切換弁２６と第２切換弁２７と送風ファン２８を操作する。
この燃料電池システム１は、制御手段３３によって、水素タンク温度センサ３１が検出する水素ガス供給装置３の水素タンク４の温度が所定温度より低い場合には燃料電池スタック２から排出される空気を熱交換チャンバ１７に導入して水素ガス供給装置３を加熱する一方、燃料電池スタック２から排出される空気の温度が所定温度より高い場合には熱交換チャンバ１７に導入されるとともに水素ガス供給装置２によって冷却された空気を燃料電池スタック２に供給するように、第１切換弁２６、第２切換弁２７、送風ファン２８を制御する。
また、燃料電池システム１は、制御手段３３によって、水素ガス濃度センサ３２の検出する水素ガス濃度が所定濃度より高い場合には、外気を熱交換チャンバ１７に導入するとともに空気排出ダクト９ヘ流すように、第１切換弁２６と第２切換弁２７と送風ファン２８を操作する。
さらに、燃料電池システム１は、制御手段３３によって、水素タンク４ヘ水素ガスを充填する場合、水素タンク４の温度が所定値を超えると第１切換弁２６および第２切換弁２７の少なくとも一方を開き、かつ送風ファン２８によって熱交換チャンバ１７内へ外気を導入する。
次に、燃料電池システム１の作用を説明する。
燃料電池システム１は、水素系部品の過冷却防止のために、低温時においては、図３に示すように、第１切換弁２６で第１連通部２３を閉じると同時に第２切換弁２７で第２連通部２４を開き、さらに第３連通部２５の送風ファン２８を熱交換チャンバ１７内部から外部への排風方向に回転させることにより、燃料電池スタック２からの高温排気を熱交換チャンバ１７に導く。
水素タンク４などの水素系部品が過冷却となる条件としては、燃料電池スタック２での水素消費量が大きく、水素タンク４の圧力低下が速い場合であるが、このような条件においては燃料電池スタック２からの廃熱量も大きいため、燃料電池スタック２からの排気を、水素系部品を収納する熱交換チヤンバ１７に導くことにより、水素系部品の過冷却を防止することが可能となる。
一方、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２の過熱防止を目的として、高温時においては、図４に示すように、第１切換弁２６で第１連通部２３を開くと同時に第２切換弁２７で第２連通部２４を閉じ、さらに第３連通部２５の送風ファン２８を熱交換チャンバ１７外部から内部への送風方向に回転させることにより、熱交換チャンバ１７内の冷却空気を燃料電池スタック２に接続した空気供給ダクト８に導く。
燃料電池スタック２の過熱が懸念されるのは、高温時において高負荷条件での発電時であるが、このような条件においては水素タンク４の圧力低下が速く、ゆえに水素タンク４を合む水素系部品の温度低下が大きいため、熱交換チャンバ１７内の空気を燃料電池スタック２に導くことにより、燃料電池スタック２の過熱を防止することが可能となる。
水素系部品の過冷却、燃料電池スタック２の過熱が、共に懸念されない温度域においては、第１切換弁２６および第２切換弁２７は両者共に第１連通部２３および第２連通部２４を閉じ、第３連通部２５の送風ファン２８を停止させる。
次に、燃料電池システム１の第１切換弁２６、第２切換弁２７および送風ファン２８の制御について、図５の状態遷移図に沿ってより詳細に、各条件別に説明する。
燃料電池システム１は、供給空気温度センサ２９、排出空気温度センサ３０、水素タンク温度センサ３１、水素ガス濃度センサ３２が検出する信号Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｈ１を制御手段３３に入力し、制御手段３３によって第１切換弁２６、第２切換弁２７および送風ファン２８を以下のように制御する。
まず、燃料電池システム１が起動すると、制御手段３３は燃料電池システム１をノーマルモード（１）で運転する。ノーマルモード（１）においては、第１切換弁２６、第２切換弁２７は共に第１連通部２３、第２連通部２４を閉じ、第３連通部２５の送風ファン２８を停止状態とする。
燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両の負荷が大きくなり、燃料電池スタック２での発電電流が増加し、しかるに燃料電池スタック２での消費水素量が大きくなると、水素タンク４の圧力低下が速くなり、水素タンク４および減圧弁５などの水素系部品の温度が低下する。水素タンク温度センサ３１の検出する温度Ｔ３が予め設定した所定温度Ｔ３Ｌ以下（Ｔ３≦Ｔ３Ｌ）となると、制御手段３３は燃料電池システム１を水素系部品加温モード（２）で運転する。
水素系部品加温モード（２）においては、制御手段３３は第１切換弁２６で第１連通部２３を閉じると同時に第２切換弁２７で第２連通部２４を開き、さらに第３連通部２５の送風ファン２８を排風方向に回転させることにより、燃料電池スタック２からの高温排気を熱交換チャンバ１７に導く。燃料電池スタック２の廃熱で、水素タンク４および水素系部品の温度は上昇する。
燃料電池スタック２の廃熱により水素タンク４および水素系部品の温度が上昇し、水素タンク温度センサ３１の検出する温度Ｔ３が前記所定温度Ｔ３Ｌよりも高い別の所定温度Ｔ３Ｈ以上（Ｔ３≧Ｔ３Ｈ）になると、再びノーマルモード（１）ヘと移行する。ノーマルモード（１）ヘの移行で、制御手段３は第２切換弁２７で第２連通部２４を閉じ、第３連通部２５の送風ファン２８の回転を停止する。ここで、制御手段３３は、第１切換弁２６、第２切換弁２７、送風ファン２８の制御にヒステリシスを持たせるため、第１の所定温度Ｔ３Ｈを第２の所定温度Ｔ３Ｌよりも大きな値に設定（Ｔ３Ｈ＞Ｔ３Ｌ）している。
次に、高温時において、燃料電池スタック２の排出空気温度センサ３０が検出する温度Ｔ２が予め設定した所定温度Ｔ２Ｈ以上（Ｔ２≧Ｔ２Ｈ）になると、制御手段３３は燃料電池システム１を燃料電池スタック冷却モード（３）で運転する。燃料電池スタック冷却モード（３）においては、制御手段３３は第１切換弁２６で第１連通部２３を開くと同時に第２切換弁２４で第２連通部２４を閉じ、さらに第３連通部２５の送風ファン２８を送風方向に回転させることにより、熱交換チャンバ１７内の冷却空気を燃料電池スタック２の空気供給ダクト８に導く。熱交換チャンバ１７内の冷却空気で、燃料電池スタック２の温度は低下する。
燃料電池スタック２は、外気より低温である熱交換チャンバ１７内の空気を吸気することにより温度が低下し、排出空気温度センサ３０の検出する温度Ｔ２が前記所定温度Ｔ２Ｈよりも低い別の所定温度Ｔ２Ｌ以下（Ｔ２≦Ｔ２Ｌ）になると、再びノーマルモード（１）ヘと移行する。ノーマルモード（１）ヘの移行で、制御手段３３は第１切換弁２６で第１連通部２３を閉じ、第３連通部２５の送風ファン２８の回転を停止する。ここで、制御手段３３は、第１切換弁２６、第２切換弁２７、送風ファン２８の制御にヒステリシスを持たせるため、第１の所定温度Ｔ２Ｌを第２の所定温度Ｔ２Ｈよりも小さな値に設定（Ｔ２Ｌ＜Ｔ２Ｈ）している。
また、この燃料電池システム１は、上述制御に加えて、以下の二つの制御を行う。
第１は、燃料電池システム１の水素漏洩時の制御である。水素タンク４あるいは水素タンク４から燃料電池スタック２に至る水素供給配管５、減圧弁６などの水素系部品のいずれかから水素ガスが漏洩した場合、水素ガス濃度センサ３２の検出する熱交換チャンバ１７内の水素ガス濃度Ｈ１が上昇する。検出する水素ガス濃度Ｈ１が予め設定した所定濃度Ｈ１Ｌ以上（Ｈ１≧Ｈ１Ｌ）になると、制御手段３３は燃料電池システム１を漏洩水素排気モード（４）で運転する。
漏洩水素排気モード（４）においては、制御手段３３は第１切換弁２５で第１連通部２３を閉じると同時に第２切換弁２７で第２連通部２４を開き、さらに第３連通部２５の送風ファン２８を排風方向に回転させることにより、熱交換チャンバ１７内に漏洩した水素ガスを外気に排出する。これにより、熱交換チャンバ１７内への水素ガスの滞留を防ぐことができる。燃料電池システム１は、水素ガス濃度センサ３２の検出する水素ガス濃度Ｈ１が所定濃度Ｈ１Ｌ以上になると、前記いずれのモード（１）、（２）、（３）、後述するモード（５）で運転されていたとしても、即座に漏洩水素排気モード（４）ヘと移行する。
第２は、水素タンク４ヘの水素ガス充填時の制御である。水素ガス充填のための水素ステーションにおいて、燃料電池車両の水素タンク４に水素ステーション側から水素ガスを充填する際に、タンク温度は断熱圧縮された水素ガスにより上昇する。水素タンク４は、低温側のみではなく、高温側にも許容温度があり、これを上回る温度域で使用することはできない。このため、あらかじめ低温とした水素ガスを充填するプレクール技術が知られるほか、燃料電池車両側と水素ステーション側が通信することにより、水素ステーション側で車載の水素タンク４のタンク温度を把握し、温度が許容温度に至らないように充填速度を制御する手法も知られているが、この場合においても、水素タンク４の温度上昇を抑えることは充填速度を速めるために有効である。
この燃料電池システム１では、水素タンク４に水素ガスを充填する場合、水素タンク温度センサ３１の検出するタンク温度Ｔ３が予め設定した所定値Ｔ３ＦＨ以上（Ｔ３≧Ｔ３ＦＨ）になると、制御手段３３は燃料電池システム１を水素タンク冷却モード（５）で運転する。水素タンク冷却モード（５）においては、制御手段３３は第１切換弁２６および第２切換弁２７で第１連通部２３および第２連通部２４を開き、さらに第３連通部２５の送風ファン２８を送風方向に回転させることにより、熱交換チヤンバ１７内を掃気し、水素タンク４を冷却する。
水素タンク４の温度が低下し、水素タンク温度センサ３１の検出するタンク温度Ｔ３が前記所定値Ｔ３ＦＨよりも低い別の所定値Ｔ３ＦＬ以下（Ｔ３≦Ｔ３ＦＬ）になると、再びノーマルモード（１）ヘと移行する。ノーマルモード（１）ヘの移行で、制御手段３３は第１切換弁２６および第２切換弁２７で第１連通部２３および第２連通部２４を閉じ、第３連通部２５の送風ファン２８の回転を停止する。ここで、制御手段３３は、第１切換弁２６、第２切換弁２７、送風ファン２８の制御にヒステリシスを持たせるため、第１の所定値Ｔ３ＦＨよりも第２の所定値Ｔ３ＦＬを小さな値に設定（Ｔ３ＦＨ＞Ｔ３ＦＬ）している。
このように、燃料電池システム１は、空気供給ダクト８および空気排出ダクト９と連通する熱交換チャンバ１７内に水素ガス供給装置３を配置した構造によって、水素タンク４のタンク温度Ｔ３が所定温度Ｔ３Ｌより低い場合には、燃料電池スタック２から排出される高温の空気によって水素ガス供給装置３を加熱して水素ガス供給装置３の低温化を防止することができる。
また、この燃料電池システム１は、燃料電池スタック２から排出される空気の温度Ｔ２が所定温度耐Ｔ２Ｈより高い場合には、熱交換チャンバ１７に導入されるとともに水素ガス供給装置３によって冷却された空気を燃料電池スタック２に供給でき、燃料電池スタック２の冷却性能を向上させることができる。
この燃料電池システム１は、燃料電池スタック２が空気を反応ガス兼冷却媒体とする空冷式燃料電池スタックである場合、上記の構造を適用すればより燃料電池スタック２の冷却性能向上を図ることができる。
また、この燃料電池システム１は、空気供給ダクト８に連通する第１連通部２３に第１切換弁２６を配置し、空気排出ダクト９に連通する第２連通部２４に第２切換弁２７を配置し、水素ガスの流れ方向上流部の第３連通部２５に送風方向を切り換え可能な送風ファン２８を配置した構造によって、熱交換チャンバ１７が連通する方向と空気の流れ方向とを切り換え、水素ガス供給装置３の低温化を防止する状態と燃料電池スタック２の冷却性能を向上させる状態とに切換えることができる。
この燃料電池システムは、供給空気温度センサ２９が検出する空気供給ダクト８内を流れる空気の温度と、排出空気温度センサ３０が検出する空気排出ダクト９内を流れる空気の温度と、水素タンク温度センサ３１が検出する水素タンク４のタンク温度とに基づいて、水素ガス供給装置３の低温化を防止する状態と燃料電池スタック２の冷却性能を向上させる状態とを最適な状態に切り換えることができる。
さらに、この燃料電池システムは、燃料電池スタック２に接続される余剰水素ガスを排出する水素パージ配管１５の下流端部を空気排出ダクト９の空気流れ方向で第２連通部２４よりも下流側に接続したことで、水素パージ配管１５から排出される余剰水素ガスが熱交換チャンバ１７内に流入することを防止できる。
この燃料電池システム１は、水素ガス濃度センサ３２の検出する熱交換チャンバ１７内部の水素ガス濃度が所定濃度以上の場合には、外気を熱交換チャンバ１７に導入するとともに空気排出ダクト９ヘ流すことで、熱交換チャンバ１７内に水素ガスが滞留することを防止でき、燃料電池システム１の安全性を向上させることができる。
この燃料電池システム１は、送風ファン２８が防爆構造を有することで、熱交換チャンバ１７内へ水素ガスが漏れた場合であっても、送風ファン２８を安全に駆動することができる。
さらにまた、この燃料電池システム１は、水素タンク４ヘ水素ガスを充填する場合、水素タンク４の温度が所定値以上になると、第１切換弁２６および第２切換弁２８の少なくとも一方、この実施例では両方を開き、かつ送風ファン２８によって熱交換チャンバ１７内へ外気を導入することで、水素タンク４ヘの水素ガスの充填時に、水素タンク４を外気で冷却して水素ガスの断熱圧縮による温度上昇を抑制できる。このため、水素タンク４ヘの水素ガスの充填時間を短縮できる。
この燃料電池システム１は、熱交換チャンバ１７の下側チャンバ部１８を上方が開放した断面形状とし、下側チャンバ部１８上方の開口部１９が車両のフロア２１に形成した上側チャンバ部２０によって閉鎖される構造としたことで、熱交換チャンバ１７の構造を簡素化し、車両への搭載性を向上することができる。
上述実施例では、空冷式の燃料電池システム１に熱交換チャンバ１７を設けたが、燃料電池システムの冷却方法としては空冷式に限定するものではなく、水冷式の燃料電池システムにも適用可能である。特に、水冷式の燃料電池システムの排気温度は空冷式に比べて高いため、低温時の水素系部品の過冷却防止の効果が大きい。
また、上述実施例では、燃料電池スタック２ヘの空気供給用に空気供給ダクト８に押し込み型のブロアファン１１を設けたが、燃料電池スタック２の出口側の空気排出ダクト９に吸い込み型のブロアファンを設けることもできる。
さら、上述実施例では、熱交換チャンバ１７ヘの送風および熱交換チャンバ１７からの排風のために順回転および逆回転が可能な送風ファン２８を１つ設けたが、送風用ファンおよび排風用ファンの両者をそれぞれ設けることもできる。
この発明は、水素ガスの断熱膨張による水素系部品の低温化を防止するとともに、燃料電池スタックの冷却性能を向上させるものであり、空冷式の燃料電池システムに限らず、水冷式の燃料電池システムにも適用可能である。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ 水素ガス供給装置
４ 水素タンク
５ 水素供給配管
６ 減圧弁
８ 空気供給ダクト
９ 空気排出ダクト
１０ フィルタ
１１ ブロアファン
１５ 水素パージ配管
１６ パージ弁
１７ 熱交換チャンバ
２３ 第１連通部
２４ 第２連通部
２５ 第３連通部
２６ 第１切換弁
２７ 第２切換弁
２８ 送風ファン
２９ 供給空気温度センサ
３０ 排出空気温度センサ
３１ 水素タンク温度センサ
３２ 水素ガス濃度センサ
３３ 制御手段

Claims (9)

  1. 水素タンクに充填された水素ガスを減圧して燃料電池スタックに供給する水素ガス供給装置と、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給ダクトと、燃料電池スタックから余剰空気を排出する空気排出ダクトとを備える燃料電池システムにおいて、
    前記水素ガス供給装置を前記空気供給ダクトおよび空気排出ダクトと連通する熱交換チャンバ内に配置し、
    前記水素ガス供給装置の温度が所定温度より低い場合には前記燃料電池スタックから排出される空気を前記熱交換チャンバに導入して前記水素ガス供給装置を加熱する一方、
    前記燃料電池スタックから排出される空気が所定温度より高い場合には前記熱交換チャンバに導入されるとともに前記水素ガス供給装置によって冷却された空気を前記燃料電池スタックに供給するようにしたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池スタックは空気を反応ガス兼冷却媒体とする空冷式燃料電池スタック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. 前記熱交換チャンバは前記空気供給ダクトに連通する第１連通部と、前記空気排出ダクトに連通する第２連通部と、水素ガスの流れ方向上流部にてこの熱交換チャンバの内部と外部を連通する第３連通部とを備え、
    前記第１連通部および第２連通部にこれら連通部を開閉する第１切換弁および第２切換弁を配置するとともに、前記第３連通部に送風方向を切り換え可能な送風ファンを配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記空気供給ダクトと前記空気排出ダクトは夫々空気の温度を検出する温度センサを備えるとともに前記水素ガス供給装置は水素タンクの温度を検出する温度センサを備え、
    各温度センサの検出する温度に基づいて前記第１切換弁と前記第２切換弁と前記送風ファンを操作することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池スタックには余剰水素ガスを排出する水素パージ配管が接続され、
    前記水素パージ配管の下流端部を前記空気排出ダクトの空気流れ方向で前記第２連通部よりも下流側に接続したことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 前記熱交換チャンバは内部の水素ガス濃度を検出する水素ガス濃度センサを備え、
    前記水素ガス濃度検出センサの検出する水素ガス濃度が所定濃度以上の場合には、外気を前記熱交換チャンバに導入するとともに前記空気排出ダクトヘ流すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記送風ファンは防爆構造を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  8. 前記水素タンクヘ水素ガスを充填する場合、前記水素タンクの温度が所定値以上になると、前記第１切換弁および第２切換弁の少なくとも一方を開き、かつ前記送風ファンによって前記熱交換チャンバ内へ外気を導入することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  9. 前記熱交換チャンバは上方が開放した断面形状であり、上方の開口部が車両のフロアによって閉鎖され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。
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