(57)【要約】【課題】  無駄な電力消費を行わずに燃料電池を加熱することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム（１００）は、圧縮水素を貯蔵する貯蔵手段（１）と、水素および酸素によって発電を行う燃料電池（９）と、貯蔵手段（１）から供給される水素の膨張エネルギを利用して作動するヒートポンプ（４）と、ヒートポンプ（４）からの熱を燃料電池（９）に供給する熱供給手段（６，２６〜３０）とを備えることを特徴とする。この場合、貯蔵手段（１）から供給される水素の膨張エネルギによってヒートポンプ（４）が作動し、ヒートポンプ（４）からの熱が熱供給手段（６，２６〜３０）によって燃料電池（１２）に供給される。この場合、ヒートポンプ（４）を電動圧縮機等で駆動することなく、ヒートポンプ（４）からの熱を燃料電池（９）に供給することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮水素を貯蔵する貯蔵手段と、
水素および酸素によって発電を行う燃料電池と、
前記貯蔵手段から供給される水素の膨張エネルギを利用して作動するヒートポンプと、
前記ヒートポンプからの熱を前記燃料電池に供給する熱供給手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱供給手段は、前記ヒートポンプからの熱が供給される熱交換器と、前記熱交換器を通って前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水通路とを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、前記熱供給手段によって所定の温度まで加熱された後に始動することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【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する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車が開発されている。燃料電池に車両を駆動させるための出力をさせるためには、早期に燃料電池を加熱することが必要である。したがって、燃料電池を加熱するための加熱システムが必要である。一方、車両の車室内の空調のために、電動式圧縮機を用いた空調システムが搭載されている。しかし、上記加熱システムと空調システムとは独立して設けられていることが一般的である。したがって、燃料電池の温度制御と、車室の空調エネルギ負荷は、燃料電池システムのエネルギ効率向上における課題であった。
【０００３】
そこで、空調装置のヒートポンプを利用して燃料電池の加熱を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、ヒートポンプユニットによって車室内の空調および燃料電池の温度管理の両方がなされる。それにより、熱効率が向上する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１６７７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、車室内の空調制御を行う必要がない場合には、燃料電池の加熱のためだけにヒートポンプを作動させることになる。したがって、特許文献１の技術では無駄な電力消費がなされるおそれがある。
【０００６】
本発明は、無駄な電力消費を行わずに燃料電池を加熱する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、圧縮水素を貯蔵する貯蔵手段と、水素および酸素によって発電を行う燃料電池と、貯蔵手段から供給される水素の膨張エネルギを利用して作動するヒートポンプと、ヒートポンプからの熱を燃料電池に供給する熱供給手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムにおいては、貯蔵手段から供給される水素の膨張エネルギによってヒートポンプが作動し、ヒートポンプからの熱が熱供給手段によって燃料電池に供給される。この場合、ヒートポンプを電動圧縮機等で駆動することなく、ヒートポンプからの熱を燃料電池に供給することができる。したがって、蓄電手段等の電力を無駄に消費することなく燃料電池を加熱することができる。また、燃料電池を加熱するために水素の膨張エネルギを利用していることから、圧力発生手段を新たに設ける必要がない。それにより、本発明に係る燃料電池システムの構成を簡略化することができる。さらに、燃料電池の加熱に利用した水素は燃料電池における発電にも利用することができることから、燃費の悪化を防止することもできる。
【０００９】
熱供給手段は、ヒートポンプからの熱が供給される熱交換器と、熱交換器を通って燃料電池に冷却水を供給する冷却水通路とを備えていてもよい。この場合、熱交換器を通った冷却水によって燃料電池を加熱することができる。したがって、燃料電池を加熱するための加熱手段を設けることなく燃料電池の加熱が可能になる。その結果、本発明に係る燃料電池システムの構成を簡略化することができる。
【００１０】
燃料電池は、熱供給手段によって所定の温度まで加熱された後に始動してもよい。この場合、燃料電池の内部で凍結等が発生していても、スムーズに燃料電池を始動させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、無駄な電力消費を行わずに燃料電池を加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の第1実施例に係る燃料電池システム１００の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、水素タンク１、ヒートポンプ４、熱交換器６、冷却水ポンプ８、燃料電池９およびコンプレッサ１１が配管により接続される構造を有する。以下、詳細を説明する。
【００１４】
水素タンク１は、圧縮水素ガスが貯蔵されるタンクである。水素タンク１内の圧縮水素ガスの圧力は、例えば、３５Ｍｐａ〜７５Ｍｐａ程度である。切替弁２は、三方コックからなる。切替弁２の入口は、配管２１を介して水素タンク１に接続されている。切替弁２の第１の出口は配管２２を介してヒートポンプ４の水素入口に接続され、切替弁２の第２の出口は配管２５を介して燃料電池９のアノードガス入口に接続されている。
【００１５】
切替弁２は、制御部１２の指示に従って、水素タンク１から供給される水素ガスのヒートポンプ４または燃料電池９への供給量を制御する流量調整弁として機能する。したがって、切替弁２は、燃料電池９に供給する水素ガスの圧力を調整する圧力調整弁としても機能する。なお、本実施例においては、切替弁２は、配管２５に水素ガスを供給する際に、水素タンク１から供給される水素ガスを１００ｋＰａ程度まで減圧する。また、切替弁２は、水素タンク１から供給される水素をヒートポンプ４を介さずに直接燃料電池９に供給するためのバイパス手段としても機能する。
【００１６】
配管２２には圧力センサ３が設けられている。圧力センサ３は、配管２２内の水素ガス圧力を検出して、その検出結果を制御部１２に与える。ヒートポンプ４は、内蔵された電動圧縮機および減圧器によってＣＯ２等の冷媒を圧縮または膨張させることによって、熱を取り出すことができる装置である。本実施例においては、ヒートポンプ４は、配管２２から供給される水素ガスの膨張エネルギによって冷媒が圧縮され、その際に発生する熱を熱交換器６に与える。
【００１７】
ヒートポンプ４の水素ガス出口は、配管２３、圧力調整弁５および配管２４を介して配管２５に接続されている。圧力調整弁５は、制御部１２の指示に従って、ヒートポンプ４に供給された水素ガスが配管２５に供給される際の圧力を調整する。なお、圧力調整弁５の代わりにシャット弁を用いることもできる。
【００１８】
コンプレッサ１１は、大気に通じるとともに、配管３１を介して燃料電池９のカソードガス入口に接続されている。コンプレッサ１１は、制御部１２の指示に従って、大気中のエアを圧縮し、その圧縮エアを配管３１を介して燃料電池９のカソード入口に供給する。
【００１９】
燃料電池９は、コンプレッサ１１から供給されるエア中の酸素と水素タンク１から供給される水素とによって水を生成するとともに電力を発生させる。燃料電池９の種類は限定されないが、本発明はＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）等の低温起動の燃料電池を用いた場合に特に効果を発揮する。また、燃料電池９には温度センサ１０が設けられている。温度センサ１０は、燃料電池９の温度を検出し、その検出結果を制御部１２に与える。なお、温度センサ１０は、燃料電池９の内部に設けられていても外部に設けられていてもよく、後述する冷却水の温度を検出してもよい。
【００２０】
燃料電池９内には、配管２６，２７，２８から構成される冷却水循環流路の一部が通っている。配管２６は、冷却水ポンプ８を介して配管２７に接続されている。配管２７は、切替弁７を介して配管２８に接続されている。配管２８は、燃料電池９内において配管２６に接続されている。切替弁７の入口は配管２７に接続されており、切替弁７の第１の出口は配管２８に接続されており、切替弁７の第２の出口は配管２９を介して熱交換器６の冷却水入口に接続されている。熱交換器６の冷却水出口は、配管３０を介して配管２８の途中に接続されている。
【００２１】
冷却水ポンプ８は、制御部１２の指示に従って冷却水を循環させる。切替弁７は、制御部１２の指示に従って、冷却水ポンプ８から供給される冷却水の熱交換器６または燃料電池９への供給を制御する。配管２９に供給された冷却水は、熱交換器６内を流動する間にヒートポンプ４からの熱を受け取って配管３０を介して配管２８に供給される。それにより、冷却水の温度が上昇する。その結果、燃料電池９の温度が上昇する。
【００２２】
制御部１２は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、圧力センサ３および温度センサ１０の検出結果に基づいて、切替弁２，７、圧力調整弁５、冷却水ポンプ８およびコンプレッサ１１の制御を行う。詳細は後述する。
【００２３】
以上のように、本実施例に係る燃料電池システム１００においては、ヒートポンプ４の電動圧縮機を駆動することなく、熱交換器６に熱を与えることができる。したがって、バッテリ等の蓄電手段の電力を無駄に消費することなく燃料電池９を加熱することができる。また、蓄電手段の電力を用いる必要がないことから、燃料電池を加熱するための余分な電力を蓄電手段に蓄電しておく必要がない。さらに、蓄電手段の電力を車両駆動用のモータに十分に供給することができる。
【００２４】
また、燃料電池９を加熱するために水素タンク１の水素の膨張エネルギを利用していることから、圧力発生手段を新たに設ける必要がない。さらに、既存の冷却水を用いて燃料電池９を加熱していることから、燃料電池９を加熱する手段を新たに設ける必要がなく、保温材等を新たに設ける必要もない。それにより、燃料電池システム１００の構成を簡略化することができる。その結果、燃料電池１００システムの製造コストを低減させることができる。また、燃料電池システム１００を省スペース化することが可能である。さらに、燃料電池９の加熱に利用した水素は燃料電池９における発電にも利用されることから、燃費の悪化を防止することもできる。
【００２５】
続いて、燃料電池９を加熱するために必要な水素圧について説明する。ここで、燃料電池９の温度と燃料電池９を始動させるために必要な温度との差を温度差ΔＴと呼ぶ。燃料電池９としてＰＥＦＣを用いる場合には、始動前の燃料電池９の温度は例えば−３０℃程度であり、燃料電池９を始動させるために必要な温度は例えば０℃程度である。燃料電池９の始動温度は、燃料電池９の種類等により決定することができる。
【００２６】
図２は、温度差ΔＴと燃料電池９を始動温度まで加熱するためにヒートポンプ４に供給されるべき水素ガスの圧力との関係を示す図である。図２に示すように、温度差ΔＴが増大するにつれてヒートポンプ４に供給されるべき水素ガスの圧力も増大する。制御部１２は、図２のグラフをマップとしてＲＯＭ等に記憶している。
【００２７】
図３は、制御部１２が燃料電池９の始動時に燃料電池システム１００を制御する際のフローチャートの一例を示す図である。以下、図３のフローチャートに従って、制御部１２による制御について説明する。
【００２８】
まず、制御部１２は、温度センサ１０の検出結果に基づいて燃料電池９の温度Ｔを計測する（ステップＳ１）。次に、制御部１２は、温度Ｔが燃料電池９の始動温度（例えば、０℃）を超えているか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００２９】
ステップＳ２において温度Ｔが始動温度を超えていると判定されなかった場合、制御部１２は、温度Ｔに基づいてヒートポンプ４に供給すべき水素ガスの圧力を計算する（ステップＳ３）。この場合、制御部１２は、図２のマップに基づいて水素ガスの圧力を計算する。
【００３０】
次に、制御部１２は、ステップＳ３における計算結果に基づいて、必要な量の水素をヒートポンプ４に供給する（ステップＳ４）。この場合、制御部１２は、圧力センサ３の検出結果に基づいて切替弁２を制御することによって、ヒートポンプ４に必要な水素を供給する。次いで、制御部１２は、冷却水を加熱しつつ循環させる（ステップＳ５）。この場合、制御部１２は、冷却水が熱交換器６を通過するように切替弁７を制御して、冷却水ポンプ８を作動させる。
【００３１】
次に、制御部１２は、温度センサ１０の検出結果に基づいて燃料電池９の温度Ｔを再度計測する（ステップＳ６）。次いで、制御部１２は、温度Ｔが燃料電池９の始動温度を超えているか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７において温度Ｔが始動温度を超えていると判定されなかった場合、制御部１２は待機する。
【００３２】
ステップＳ７において温度Ｔが所定の温度を超えていると判定された場合、制御部１２は、燃料電池９を始動させる（ステップＳ８）。また、ステップＳ２において温度Ｔが始動温度を超えていると判定された場合にも、制御部１２はステップＳ８の動作を行う。この場合、制御部１２は、コンプレッサ１１により圧縮エアを燃料電池９のカソードガス入口に供給しかつ切替弁２により水素タンク１の水素を燃料電池９のアノードガス入口に供給することによって燃料電池９を始動させる。
【００３３】
なお、ステップＳ８において燃料電池９を始動させる際に、制御部１２は、水素のヒートポンプ４への供給を停止させるように切替弁２を制御し、冷却水の熱交換器６への供給を停止させるように切替弁７を制御してもよい。その後、制御部１２は、動作を終了させる。
【００３４】
以上のことから、図３のフローチャートに従って燃料電池システム１００を制御することによって、ヒートポンプ４の電動圧縮機を駆動することなく、燃料電池９を加熱することができる。また、燃料電池９が始動温度まで加熱されてから燃料電池９を始動させることができる。したがって、燃料電池９をスムーズに始動させることができる。
【００３５】
なお、本実施例においては水素タンク１に貯蔵された高圧水素を利用してヒートポンプ４の冷媒を圧縮しているが、コンプレッサ１１によって圧縮された圧縮エアを用いることもできる。また、燃料電池９が過熱状態になった場合には、ヒートポンプ４を逆回転させて冷却水を冷却することによって、燃料電池９を冷却することもできる。さらに、熱交換器６を車室内の空調用熱交換器として用いることもできる。
【００３６】
本実施例においては、水素タンク１が貯蔵手段に相当し、熱交換器６および配管２６，２７，２８，２９，３０が熱供給手段に相当し、配管２６，２７，２８，２９，３０が冷却水通路に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第1実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】温度差ΔＴと燃料電池を始動温度まで加熱するためにヒートポンプに供給されるべき水素ガスの圧力との関係を示す図である。
【図３】制御部が燃料電池の始動時に燃料電池システムを制御する際のフローチャートの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  水素タンク
２，７  切替弁
４  ヒートポンプ
６  熱交換器
９  燃料電池
１２  制御部
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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