(57)【要約】【課題】燃料電池の加熱を速やかに行う。【解決手段】往復式圧縮機１２は、シリンダ１２−２内に吸入した酸化剤ガス（空気）を圧縮して燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給することが可能である。さらに、往復式圧縮機１２は、燃料ガスと空気の混合気をシリンダ１２−２内にて燃焼させ、燃焼後の排ガスを燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給する内燃機関として機能することも可能である。往復式圧縮機１２を内燃機関として機能させるときは、理論空燃比よりも空気が過剰となる状態で燃料ガスをシリンダ１２−２内にて燃焼させ、燃焼後の排ガスを酸素が残存する状態で燃料電池１０のカソード側１０Ｃへ供給することで燃料電池１０の加熱を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料を燃焼させた後の排ガスを燃料電池に供給することで燃料電池の加熱動作を行うことが可能なエンジンと、を備える燃料電池システムであって、
エンジンは、酸素が残存するように燃料を燃焼させた後の排ガスを燃料電池に供給することで前記燃料電池の加熱動作を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
エンジンは、酸素が残存する排ガスを酸化剤ガスとして燃料電池に供給することで前記燃料電池の加熱動作を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
エンジンは、吸入したガスを燃焼させることなく圧縮して燃料電池に供給する圧縮機動作を行うことも可能であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
エンジンは、電動機からの動力により前記圧縮機動作を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
電動機は、エンジンにより前記燃料電池の加熱動作が行われるときには、エンジンからの動力により発電運転を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の燃料電池システムであって、
エンジンによる前記燃料電池の加熱動作と前記圧縮機動作のいずれを行うかを、燃料電池の温度に基づき選択することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の燃料電池システムであって、
エンジンは、燃料電池の起動時に、燃料電池に供給する排ガス中に酸素が残存するように燃料を燃焼させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１に記載の燃料電池システムであって、
エンジンは、理論空燃比よりも空気が過剰となる状態で燃料を燃焼させた後の排ガスを燃料電池に供給することで前記燃料電池の加熱動作を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の加熱を行うことが可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、燃料ガス（アノードガス）と酸化剤ガス（カソードガス）を用いた電気化学反応により電気エネルギーが生成される。この燃料電池の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１では、燃料電池用配管を設置する場合に、アノードガス、カソードガスラインについては、配管内壁の下端の高さ位置をセルの貫通マニホールド下端の高さ位置と同じかまたはそれより低い位置に設定している。これによって、ガスラインの水抜け性の向上を図っている。
【０００３】
その他にも、下記特許文献２〜５による燃料電池システムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４３４００号公報
【特許文献２】特開２００２−１７５８２４号公報
【特許文献３】特開２００４−３４９０１８号公報
【特許文献４】特許第３５４６２３４号明細書
【特許文献５】特開２００３−１２９８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池は低温時には発電効率が低下するため、低温時には燃料電池を作動温度まで速やかに昇温する必要がある。特許文献１においては、低温時に燃料電池の加熱を速やかに行うことが困難であり、低温時における燃料電池の始動性が低下するという問題点がある。
【０００６】
本発明は、燃料電池の加熱を速やかに行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料を燃焼させた後の排ガスを燃料電池に供給することで燃料電池の加熱動作を行うことが可能なエンジンと、を備える燃料電池システムであって、エンジンは、酸素が残存するように燃料を燃焼させた後の排ガスを燃料電池に供給することで前記燃料電池の加熱動作を行うことを要旨とする。
【０００９】
本発明の一態様では、エンジンは、酸素が残存する排ガスを酸化剤ガスとして燃料電池に供給することで前記燃料電池の加熱動作を行うことが好適である。
【００１０】
また、本発明の一態様では、エンジンは、吸入したガスを燃焼させることなく圧縮して燃料電池に供給する圧縮機動作を行うことも可能であることが好適である。この態様では、エンジンは、電動機からの動力により前記圧縮機動作を行うことが好適である。さらに、電動機は、エンジンにより前記燃料電池の加熱動作が行われるときには、エンジンからの動力により発電運転を行うことが好適である。
【００１１】
また、本発明の一態様では、エンジンによる前記燃料電池の加熱動作と前記圧縮機動作のいずれを行うかを、燃料電池の温度に基づき選択することが好適である。
【００１２】
また、本発明の一態様では、エンジンは、燃料電池の起動時に、燃料電池に供給する排ガス中に酸素が残存するように燃料を燃焼させることが好適である。
【００１３】
また、本発明の一態様では、エンジンは、理論空燃比よりも空気が過剰となる状態で燃料を燃焼させた後の排ガスを燃料電池に供給することで前記燃料電池の加熱動作を行うことが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、エンジンは、燃料電池に供給する排ガス中に酸素が残存するように燃料を燃焼させることで、燃料電池の加熱を速やかに行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池１０、エンジンとしても機能する往復式圧縮機１２、モータジェネレータ１４、バッテリ１６、及びコントローラ３０を備えている。
【００１７】
燃料電池１０においては、燃料タンク等の燃料供給源（図示せず）から燃料ガス供給通路１８を介してアノード側１０Ａに燃料ガス（水素ガス）が供給される。それとともに、往復式圧縮機１２からカソード側１０Ｃに酸化剤ガス（空気）が供給される。アノード側１０Ａに供給された燃料ガス（水素ガス）は、アノードの触媒作用によりプロトン（Ｈ+）及び電子（ｅ-）へと解離する。解離したプロトンは電解質膜中を移動し、電子は外部負荷を通ってカソードに移動し、カソードの触媒作用でカソード側１０Ｃに供給された酸化剤ガス（空気）に含まれる酸素と反応して水を生成する。この燃料ガスと酸化剤ガスを用いた電気化学反応により電気エネルギーが生成される。燃料電池１０にて発生した電気エネルギーについては、バッテリ１６に蓄えることが可能である。なお、電気化学反応に供された後の燃料排ガスは、アノード側１０Ａから燃料排ガス通路２０へ排出され、電気化学反応に供された後の酸化剤排ガスは、カソード側１０Ｃから酸化剤排ガス通路２２へ排出される。
【００１８】
往復式圧縮機１２は、吸気通路１２−１からシリンダ１２−２内に吸入した酸化剤ガス（空気）を圧縮し、この圧縮した酸化剤ガスを排気通路１２−３を介して燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給する圧縮機動作を行うことが可能である。モータジェネレータ１４の回転軸は往復式圧縮機１２のクランク軸１２−５と連結されており、往復式圧縮機１２の圧縮機動作が行われるときは、モータジェネレータ１４はバッテリ１６から供給された電力を動力に変換することで、往復式圧縮機１２はモータジェネレータ１４からの動力により駆動される。このときは、モータジェネレータ１４の力行運転が行われ、モータジェネレータ１４は電動機として機能する。
【００１９】
さらに、往復式圧縮機１２は、燃料噴射弁１２−４から吸気通路１２−１に燃料ガス（水素ガス）を噴射し、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との混合気をシリンダ１２−２内にて燃焼させ、この燃焼後の排ガス（燃焼オフガス）を排気通路１２−３を介して燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給することも可能である。ここでのシリンダ１２−２内における混合気の着火については、点火プラグにより行ってもよいし、触媒により行ってもよい。このように、往復式圧縮機１２は、圧縮機だけでなく内燃機関（水素エンジン）としても機能することが可能である。往復式圧縮機１２が内燃機関として機能するときは、モータジェネレータ１４は往復式圧縮機１２からの動力により発電運転を行う。このときは、モータジェネレータ１４は発電機として機能し、モータジェネレータ１４の回生運転により図示しない補機への電力供給やバッテリ１６の充電を行うことができる。
【００２０】
コントローラ３０は、モータジェネレータ１４の運転状態及び燃料噴射弁１２−４の燃料噴射量を制御する。コントローラ３０により燃料噴射弁１２−４の燃料噴射が停止され且つモータジェネレータ１４の力行運転が行われるときは、往復式圧縮機１２の圧縮機動作が行われる。一方、コントローラ３０により燃料噴射弁１２−４の燃料噴射が行われるときは、往復式圧縮機１２の内燃機関動作が行われる。
【００２１】
次に、本実施形態に係る燃料電池システムの動作、特に、往復式圧縮機１２の動作について説明する。
【００２２】
燃料電池１０の温度が作動温度に達しており燃料電池１０による発電を行うときは、コントローラ３０は、燃料噴射弁１２−４からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、モータジェネレータ１４の力行運転を行う。このときは、往復式圧縮機１２は、シリンダ１２−２内に吸入した酸化剤ガス（空気）を、燃焼させることなく圧縮して燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給する。すなわち、往復式圧縮機１２は圧縮機動作を行う。そして、燃料電池１０は、往復式圧縮機１２からカソード側１０Ｃに供給された酸化剤ガス（空気）とアノード側１０Ａに供給された燃料ガス（水素ガス）を用いた電気化学反応により電気エネルギーを生成する。
【００２３】
一方、燃料電池１０の温度が作動温度に達していないときや、燃料電池１０の起動時には、コントローラ３０は、燃料噴射弁１２−４からの燃料ガスの噴射を行うとともに、モータジェネレータ１４の回生運転を行う。このときは、往復式圧縮機１２は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（空気）との混合気をシリンダ１２−２内にて燃焼させた後の排ガスを燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給する。すなわち、往復式圧縮機１２は内燃機関動作を行う。このように、往復式圧縮機１２にて燃料ガスを燃焼させた後の排ガスを燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給することで、燃料電池１０の加熱動作を行うことができるので、燃料電池１０の暖機を行うことができ、燃料電池１０の始動性を向上させることができる。そして、往復式圧縮機１２が発生する動力によりモータジェネレータ１４の回生運転を行うことで、低温環境下で出力低下したバッテリ１６の電力供給を補うことができるとともに、燃料電池１０の起動を行うための補機へ電力を長時間に渡って供給することができる。
【００２４】
さらに、本実施形態では、コントローラ３０は、燃料電池１０の加熱動作を行うときには、往復式圧縮機１２のシリンダ１２−２内にて理論空燃比よりも空気が過剰となる状態で燃料ガスの燃焼が行われるように、燃料噴射弁１２−４からの燃料ガス噴射量を制御する。例えば排気通路１２−３における残存酸素量を図示しないＯ2センサにより検出し、コントローラ３０は、この検出した残存酸素量に基づいて燃料ガス噴射量を制御することで、シリンダ１２−２内における空燃比を制御することができる。この燃料ガス噴射量の制御によって、往復式圧縮機１２のシリンダ１２−２内にて燃料ガスを燃焼させた後の排ガス中には酸素が残存する。そして、往復式圧縮機１２は、この酸素が残存する排ガスを酸化剤ガスとして燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給する。このように、燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給する排ガス中に酸素が残存するように燃料ガスを燃焼させることで、燃料電池１０の電気化学反応に必要な量の酸素をカソード側１０Ｃに供給することができる。これによって、燃料電池１０の加熱動作を行うことができるとともに、燃料電池１０の電気化学反応による発電動作も行うことができる。なお、排ガス中に未反応燃料ガス（水素ガス）が残存する場合は、未反応燃料ガスも燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給されるが、カソード側１０Ｃに供給された未反応燃料ガスはカソード触媒により酸素と反応する。
【００２５】
以上の動作説明においては、コントローラ３０は、図示しないセンサにより検出した燃料電池１０の温度に基づき、往復式圧縮機１２による燃料電池１０の加熱動作（内燃機関動作）と圧縮機動作のいずれを行うかを選択することができる。例えば検出した燃料電池１０の温度が所定値より小さい場合（燃料電池１０を起動する場合等）は燃料電池１０の加熱動作を行う方を選択し、燃料電池１０の温度が所定値以上である場合は圧縮機動作を行う方を選択することができる。
【００２６】
以上説明した本実施形態においては、往復式圧縮機１２を内燃機関として機能させるときには、理論空燃比よりも空気が過剰となる状態で燃料ガスをシリンダ１２−２内にて燃焼させ、燃焼後の排ガスを酸素が残存する状態で燃料電池１０のカソード側１０Ｃへ供給する。これによって、燃料電池１０の加熱を速やかに行うことができ、燃料電池１０を作動温度へ速やかに昇温させることができる。さらに、酸素が残存する排ガスを酸化剤ガスとして燃料電池１０のカソード側１０Ｃへ供給することで、燃料電池１０の発電動作も行うことができる。
【００２７】
さらに、本実施形態においては、往復式圧縮機１２を内燃機関として機能させるときには、往復式圧縮機１２にて発生させた動力によりモータジェネレータ１４の発電運転を行うため、モータジェネレータ１４の発電電力により燃料電池１０の低温起動に必要な補機動力を連続的に供給することができる。したがって、燃料電池１０の低温起動を安定して行うことができる。
【００２８】
本実施形態では、排気通路１２−３を流れるガスと燃料電池１０の冷却を行うための冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を排気通路１２−３に設けることもできる。往復式圧縮機１２の内燃機関動作（燃料電池１０の加熱動作）を行うときには、往復式圧縮機１２からの排ガスが冷媒により除熱されてから燃料電池１０のカソード側１０Ｃに供給される。これによって、燃料電池１０の加熱動作時に、燃料電池１０に供給する排ガスの温度を調整することができるので、燃料電池１０の暖機を適切に行うことができる。
【００２９】
また、往復式圧縮機１２を内燃機関として機能させるときにシリンダ１２−２内にて燃焼させる燃料、すなわち燃料噴射弁１２−４から噴射する燃料は、水素以外であってもよく、例えば改質用のエタノールやメタノールであってもよい。
【００３０】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  燃料電池、１２  往復式圧縮機、１２−１  吸気通路、１２−２  シリンダ、１２−３  排気通路、１２−４  燃料噴射弁、１４  モータジェネレータ、１６  バッテリ、１８  燃料ガス供給通路、３０  コントローラ。
【図１】
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