JP6816677B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、高圧水素タンクと燃料電池スタックとの間に水素を減圧膨張させる膨張機を設け、膨張機にて水素を膨張させる際の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換する燃料電池システムが開示されている。

特開２００３−２１７６４１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、水素の膨張エネルギーを利用するため、機械エネルギーへの変換や断熱膨張による冷却が可能になるものの、温熱源として熱を取り出すことができない。したがって、上記先行技術はこの点で改良の余地がある。

本発明は、上記事実を考慮し、温熱源として利用することができる燃料電池システムを得ることを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する供給経路に設けられ、内部に水素が供給される第１室と、可動可能な隔壁により前記第１室と分けられかつ内部に前記第１室に供給される水素より減圧された水素が供給される第２室と、を有し、前記第２室内の水素が前記隔壁を介して前記第１室内の高圧の水素により圧縮されるサブタンクと、前記サブタンクの前記第２室内の水素と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、を備える。

請求項１に記載の発明によれば、水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する供給経路には、サブタンクが設けられている。サブタンクは、可動可能な隔壁により第１室と第２室とに分けられている。そして、第１室と第２室とにはそれぞれ水素が供給されるが、第２室に供給される水素は、第１室に供給される水素より減圧されているため、隔壁を介して第１室内の水素によって第２室内の水素が圧縮される。したがって、第２室内の水素は断熱圧縮されて温度上昇する。この温度上昇した水素は、熱交換器によって熱媒体と熱交換が行われる。つまり、水素の温度を上昇させ、その熱を取り出すことができる。

請求項１に記載の本発明に係る燃料電池システムは、温熱源として利用することができるという優れた効果を有する。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。なお、以下の各実施形態では、燃料電池システムが車両に搭載された場合の形態例を説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。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１２、水素タンク１４、逆止弁１６、第１制御弁１８、第１圧力センサ２０、第２制御弁２２、第３制御弁２４、熱交換器２６、サブタンク２８、第１調圧弁３０、第２調圧弁３２、及びインジェクタ３４を備える。また、燃料電池システム１０は、気液分離部３６、水素ポンプ３８、排水弁４０、ラジエータ４２、及び図示しない制御装置を更に備える。

燃料電池スタック１２は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セルが積層されて形成されている。水素タンク１４は、複数（一例として２つ）設けられていると共に、水素タンク１４には、燃料電池スタック１２に供給するための高圧（例えば、７０ＭＰａ以上）の水素が充填口４４から逆止弁１６を通って充填される。この逆止弁１６は、充填口４４への水素の逆流を防止するために設けられている。なお、以下では、水素タンク１４側を水素の流路の上流とし、燃料電池スタック１２側を水素の流路の下流として説明する。

水素タンク１４から燃料電池スタック１２への水素の供給経路としての第１供給経路４６Ａには、第１制御弁１８、第１圧力センサ２０、第２制御弁２２、第１調圧弁３０、第３制御弁２４、及びインジェクタ３４が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。

第１制御弁１８は、制御装置による制御によって、開状態及び閉状態の何れかの状態となる弁体である。第１圧力センサ２０は、第１制御弁１８と第２制御弁２２との間の圧力を、水素タンク１４の内圧として測定する。なお、水素タンク１４の内圧を、水素タンク１４の内部に設けられた圧力センサによって測定してもよい。第２制御弁２２は、三方弁とされており、制御装置による制御によって、開状態、第１閉状態、及び第２閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、後述する第２供給経路４６Ｂへの水素の供給を遮断し、かつ第１供給経路４６Ａ（すなわち、第１調圧弁３０）へ水素の供給を行う状態である。また、第１閉状態は、第２供給経路４６Ｂへ水素の供給を行い、かつ第１供給経路４６Ａへの水素の供給を遮断する状態である。また、第２閉状態は、第１供給経路４６Ａ及び第２供給経路４６Ｂの双方への水素の供給を遮断する状態である。

第１調圧弁３０は、開示の技術の減圧部の一例であり、水素タンク１４から供給された水素を減圧させる。第３制御弁２４は、三方弁とされており、制御装置による制御によって、開状態、第１閉状態、及び第２閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、サブタンク２８の後述する第２室２８Ｂへの水素の供給を遮断し、かつ第１供給経路４６Ａ（すなわち、インジェクタ３４）へ水素の供給を行う状態である。また、第１閉状態は、サブタンク２８の第２室２８Ｂへ水素の供給を行い、かつ第１供給経路４６Ａへの水素の供給を遮断する状態である。また、第２閉状態は、第１供給経路４６Ａ及びサブタンク２８の双方への水素の供給を遮断する状態である。インジェクタ３４は、例えば電磁式の開閉弁を含み、燃料電池スタック１２への水素の供給量を調整する。

水素タンク１４から燃料電池スタック１２への水素の供給経路としての第２供給経路４６Ｂには、第２制御弁２２からインジェクタ３４の上流側の間に設けられており、第２調圧弁３２及びサブタンク２８がこの順番で上流から下流に向けて設けられている。また、サブタンク２８の第２室２８Ｂと第２供給経路４６Ｂとの間には、熱交換器２６、第２圧力センサ５０及び逆止弁５２が設けられている。

第２調圧弁３２は、開示の技術の減圧部の一例であり、水素タンク１４から供給された水素を減圧させる。なお、第２調圧弁３２により減圧された水素の圧力は、第１調圧弁３０により減圧された水素の圧力より高く設定されている。

サブタンク２８は、内部が可動可能とされた隔壁２８Ｃによって第１室２８Ａと第２室２８Ｂとに分けられており、第１室２８Ａ及び第２室２８Ｂのそれぞれに水素が収容可能とされている。サブタンク２８の第１室２８Ａには、第２調圧弁３２からの水素が供給される。なお、第１室２８Ａ内の水素は、制御装置による制御によって、インジェクタ３４の上流側にて第１供給経路４６Ａの水素と合流可能とされている。

また、サブタンク２８の第２室２８Ｂには、上述のように第３制御弁２４からの水素が供給される。熱交換器２６は、第２室２８Ｂ内にて圧縮された水素と、後述する冷却水循環路４８を循環する熱媒体としての冷却水との間で熱交換を行う。第２圧力センサ５０は、第３制御弁２４と逆止弁５２との間の圧力を、サブタンク２８の第２室２８Ｂの内圧として測定する。逆止弁５２は、第２供給経路４６Ｂから熱交換器２６及び第２室２８Ｂへの水素の逆流を防止するために設けられている。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２とインジェクタ３４との間の圧力領域を供給圧領域といい、供給圧領域の圧力は、例えば４０［ｋＰａ］以上２００［ｋＰａ］未満とされる。また、本実施形態では、インジェクタ３４と第１調圧弁３０との間の圧力領域を調圧領域といい、調圧領域の圧力は、例えば１［ＭＰａ］以上１．５［ＭＰａ］未満とされる。また、本実施形態では、第１調圧弁３０より上流の圧力領域を高圧領域といい、高圧領域の圧力は、例えば７０［ＭＰａ］以下とされる。

気液分離部３６は、燃料電池スタック１２から排出された水素及び反応ガスを気体成分と液体成分とに分離する。水素ポンプ３８は、気液分離部３６により分離された気体成分に含まれる水素を、第１供給経路４６Ａ上のインジェクタ３４の下流に送り出す循環ポンプとして機能する。また、気液分離部３６により分離された液体成分は、排水弁４０を介して外部に排出される。ラジエータ４２は、例えば外気を取り込む図示しないファンを有し、ファンを回転させることによって、冷却水循環路４８を流れる冷却水を冷却する。冷却水循環路４８を流れる冷却水によって、燃料電池スタック１２が冷却される。

（第１実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。

ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第２制御弁２２に導かれた水素は、第２制御弁２２が開状態にある場合は第１調圧弁３０へ供給されて減圧され、第１閉状態にある第３制御弁２４からサブタンク２８の第２室２８Ｂへと供給される。第２室２８Ｂ内に水素が所定量満たされた状態になると、第３制御弁２４は制御装置により開状態又は第２閉状態にされる。同時に、第２制御弁２２は制御装置により第１閉状態にされる。

第１閉状態とされた第２制御弁２２から第２調圧弁３２を通って減圧された水素は、サブタンク２８の第１室２８Ａへと供給される。第１室２８Ａ内の水素は、第２室２８Ｂ内の水素よりも高圧のため、隔壁２８Ｃが第２室２８Ｂ側へと移動される。このため、第２室２８Ｂ内の水素は断熱圧縮されて温度が上昇する。

温度が上昇した第２室２８Ｂ内の水素は、熱交換器２６にて冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷却水が加熱される。加熱された冷却水は、図示しないサーモスタットによりラジエータ４２をバイパスして燃料電池スタック１２へ送られる。これによって、燃料電池スタック１２の暖機を行うことができる。

熱交換器２６を通過した水素は、逆止弁５２を経て、サブタンク２８の第１室２８Ａから排出された水素と合流してインジェクタ３４の上流にて第１供給経路４６Ａの水素と合流される。なお、熱交換器２６を通過した水素は、逆止弁５２を経て、サブタンク２８の第１室２８Ａから排出された水素と合流して図中点線に示される第３調圧弁５４を経てインジェクタ３４の下流にて第１供給経路４６Ａの水素と合流する構成としてもよい。

以上のように、本実施形態では、図１に示されるように、水素タンク１４から燃料電池スタック１２へ水素を供給する第２供給経路４６Ｂには、サブタンク２８が設けられている。サブタンク２８は、可動可能な隔壁２８Ｃにより第１室２８Ａと第２室２８Ｂとに分けられている。そして、第１室２８Ａと第２室２８Ｂとにはそれぞれ水素が供給されるが、第２室２８Ｂに供給される水素は、第１室２８Ａに供給される水素より減圧されているため、隔壁２８Ｃを介して第１室２８Ａ内の水素によって第２室２８Ｂ内の水素が圧縮される。したがって、第２室２８Ｂ内の水素は断熱圧縮されて温度上昇する。この温度上昇した水素は、熱交換器２６によって冷却水と熱交換が行われる。そして、温度上昇した水素から熱が移動された冷却水を燃料電池スタック１２へ供給することで、燃料電池スタック１２の暖機を行うことができる。つまり、水素の温度を上昇させ、その熱を取り出すことができる。これにより、燃料電池システム１０を、温熱源として利用することができる。

（第２実施形態）
次に、図２を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム７０について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図２に示されるように、この第２実施形態に係る燃料電池システム７０は、基本的な構成は第１実施形態と同様とされ、膨張機７２が設けられている点に特徴がある。

すなわち、水素タンク１４から燃料電池スタック１２への水素の供給経路としての第１供給経路７４Ａには、第１制御弁１８、第１圧力センサ２０、第１調圧弁３０、第２制御弁７６、第３制御弁７８、及びインジェクタ３４が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。

第２制御弁７６は、三方弁とされており、制御装置による制御によって、開状態、第１閉状態、及び第２閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、後述する第２供給経路７４Ｂへの水素の供給を遮断し、かつ第１供給経路７４Ａ（すなわち、第３制御弁７８）へ水素の供給を行う状態である。また、第１閉状態は、第２供給経路７４Ｂへ水素の供給を行い、かつ第１供給経路７４Ａへの水素の供給を遮断する状態である。また、第２閉状態は、第１供給経路７４Ａ及び第２供給経路７４Ｂの双方への水素の供給を遮断する状態である。

第３制御弁７８は、三方弁とされており、制御装置による制御によって、開状態、第１閉状態、及び第２閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、サブタンク２８の第１室２８Ａへの水素の供給を遮断し、かつ第１供給経路７４Ａ（すなわち、インジェクタ３４）へ水素の供給を行う状態である。また、第１閉状態は、サブタンク２８の第１室２８Ａへ水素の供給を行い、かつ第１供給経路７４Ａへの水素の供給を遮断する状態である。また、第２閉状態は、第１供給経路７４Ａ及びサブタンク２８の双方への水素の供給を遮断する状態である。

第２供給経路７４Ｂには、第２制御弁７６からインジェクタ３４の下流側の間に設けられており、膨張機７２、熱交換器としての第１熱交換器８０、第４制御弁８２、サブタンク２８、第２圧力センサ８４、熱交換器としての第２熱交換器９４、逆止弁８６及び第２調圧弁８８がこの順番で上流から下流に向けて設けられている。

膨張機７２は、第２制御弁７６を経た水素を減圧膨張させる。膨張機７２には、エネルギー回収手段９０が接続され、エネルギー回収手段９０は、膨張機７２が水素を減圧膨張させる際の膨張エネルギーを、機械エネルギーに変換して回収する。エネルギー回収手段９０の例としては、減速機、発電機、吸気圧縮機、及び送風機等が挙げられる。なお、膨張機７２は、膨張機７２にて減圧膨張された水素の圧力が第１調圧弁３０により減圧された水素の圧力以下になるように膨張比が設定されている。

第１熱交換器８０は、膨張機７２による減圧膨張によって冷却された水素と、後述する冷却水循環経路９２を循環する熱媒体としての冷却水との間で熱交換を行う。第４制御弁８２は、三方弁とされており、制御装置による制御によって、開状態、第１閉状態、及び第２閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、サブタンク２８の第２室２８Ｂへの水素の供給を遮断し、かつ第２供給経路７４Ｂ（すなわち、第２圧力センサ８４）へ水素の供給を行う状態である。また、第１閉状態は、サブタンク２８の第２室２８Ｂへ水素の供給を行い、かつ第２供給経路７４Ｂへの水素の供給を遮断する状態である。また、第２閉状態は、第２供給経路７４Ｂ及びサブタンク２８の双方への水素の供給を遮断する状態である。

第２圧力センサ８４は、第２制御弁７６と逆止弁８６との間の圧力を、サブタンク２８の第２室２８Ｂの内圧として測定する。逆止弁８６は、サブタンク２８の第１室２８Ａから第２調圧弁８８へ導かれる水素が第２供給経路７４Ｂへ逆流するのを防止するために設けられている。

第２熱交換器９４は、サブタンク２８の第２室２８Ｂ内にて圧縮された水素と、冷却水循環経路９２を循環する冷却水との間で熱交換を行う。第２熱交換器９４を経た水素は、逆止弁８６の上流にて第２供給経路７４Ｂの水素と合流される。第２供給経路７４Ｂの水素は、開示の技術の減圧部の一例である第２調圧弁８８により減圧された後に、インジェクタ３４の下流側の水素と合流される。

なお、本実施形態では、第２熱交換器９４と膨張機７２との間の圧力領域を圧変動領域といい、圧変動領域の圧力は、例えば０.２［ＭＰａ］以上１.５［ＭＰａ］未満とされる。

ラジエータ４２は、ファンを回転させることによって、冷却水循環経路９２を流れる冷却水を冷却する。冷却水循環経路９２を流れる冷却水によって、燃料電池スタック１２が冷却される。冷却水循環経路９２は、制御装置により制御可能とされた図示しないバルブにより、冷却水が第１熱交換器８０又は第２熱交換器９４を流れるように切り替え可能とされている。

（第２実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。

ここで、本実施形態に係る燃料電池システム７０の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を経て第１調圧弁３０を通る水素は、減圧されて第２制御弁７６に導かれる。第１閉状態とされた第２制御弁７６を経た水素は、膨張機７２へと供給される。膨張機７２にて水素が膨張する際のエネルギーは、エネルギー回収手段９０によって回収されると共に、水素は断熱膨張されて温度低下する。この温度低下した水素は、第１熱交換器８０によって冷却水と熱交換が行われる。これにより、冷却水の温度が低下すると共に、水素は略常温に戻される。冷却された冷却水は、冷却水循環経路９２を流れて燃料電池スタック１２へ送ることで、燃料電池スタック１２の冷却を行うことができる。

第１熱交換器８０を通過した水素は、第１開状態とされた第４制御弁８２を経てサブタンク２８の第２室２８Ｂへと供給される。第２室２８Ｂ内に水素が所定の量供給された状態になると、第４制御弁８２は制御装置により開状態又は第２閉状態にされる。同時に、第２制御弁７６は制御装置により開状態とされかつ第３制御弁７８は制御装置により第１閉状態にされる。

第２制御弁７６が開状態にある場合は、水素は第３制御弁７８へ導かれ、この第３制御弁７８が第１閉状態にある場合はサブタンク２８の第１室２８Ａへと供給される。第１室２８Ａ内の水素は、第２室２８Ｂ内の水素よりも高圧のため、隔壁２８Ｃが第２室２８Ｂ側へと移動される。このため、第２室２８Ｂ内の水素は断熱圧縮されて温度が上昇する。

温度が上昇した第２室２８Ｂ内の水素は、第２熱交換器９４にて冷却水との間で熱交換を行う。これにより、冷却水が加熱される。加熱された冷却水は、図示しないサーモスタットによりラジエータ４２をバイパスして燃料電池スタック１２へ送られる。これによって、燃料電池スタック１２の暖機を行うことができる。

第２熱交換器９４を通過した水素は、逆止弁８６を経て、サブタンク２８の第１室２８Ａから排出された水素と合流して第２調圧弁８８により減圧された後、インジェクタ３４の下流にて第１供給経路７４Ａの水素と合流される。

以上のように、上記構成によっても、膨張機７２が設けられている点以外は第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。さらに、膨張機７２にて水素を断熱膨張させることで、冷却水を冷却することができる。したがって、燃料電池スタック１２の暖機が必要な場合は、流路切替弁９６を切り替えて冷却水を循環経路９２Ａに導くと共に、サブタンク２８にて断熱圧縮されることで温度上昇した水素と冷却水とを熱交換することで暖機が可能になる。また、燃料電池スタック１２の冷却が必要な場合は、三方弁とされた流路切替弁９６を切り替えて冷却水を循環経路９２Ｂに導くと共に、膨張機７２にて断熱膨張されることで温度低下した水素と冷却水とを熱交換することで冷却が可能となる。これにより、燃料電池システム７０を、温熱源としてだけではなく冷熱源として利用することができる。

なお、上述した第１、第２実施形態では、熱交換器２６、第１熱交換器８０及び第２熱交換器９４により熱交換される熱媒体としての冷却水は、燃料電池スタック１２に送られる構成とされているが、これに限らず、冷却水を車内空調用の図示しないヒータコア等へ供給することで、車内の暖房や冷房等を行う構成としてもよいし、それ以外の温熱や冷却が必要な部位に熱媒体を供給する構成としてもよい。

また、本発明は、上記の形態例に限定されるものではなく、上記の形態例以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池スタック
１４ 水素タンク
２６ 熱交換器
２８ サブタンク
２８Ａ 第１室
２８Ｂ 第２室
２８Ｃ 隔壁
４６Ａ 第１供給経路（供給経路）
４６Ｂ 第２供給経路（供給経路）
７０ 燃料電池システム
７４Ａ 第１供給経路（供給経路）
７４Ｂ 第２供給経路（供給経路）
８０ 第１熱交換器（熱交換器）
９４ 第２熱交換器（熱交換器）

Claims (1)

1. 水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する供給経路に設けられ、内部に水素が供給される第１室と、可動可能な隔壁により前記第１室と分けられかつ内部に前記第１室に供給される水素より減圧された水素が供給される第２室と、を有し、前記第２室内の水素が前記隔壁を介して前記第１室内の高圧の水素により圧縮されるサブタンクと、
   前記サブタンクの前記第２室内の水素と熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器と、
   を備えた燃料電池システム。