(57)【要約】【課題】  燃料タンクに貯蔵された高圧燃料ガスのエネルギーを利用して燃料電池の効率を向上させる。【解決手段】  水素タンク２に貯蔵された高圧水素ガスの膨張エネルギーでタービン５を回転駆動する。タービン５は、連結軸６を介して圧縮機７を駆動し、圧縮機７により圧縮された空気を空気供給管９を介して燃料電池スタック１１のカソードへ供給する。【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、
該燃料電池に供給する燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料タンクと、
該燃料タンクから取り出される燃料ガスの膨張により駆動されるタービンと、
該タービンに連結され空気を圧縮して前記燃料電池へ供給する空気圧縮機とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、
該燃料電池に供給する燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料タンクと、
該燃料タンクから取り出された燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
該燃焼器で燃焼された燃焼ガスで駆動されるタービンと、
該タービンに連結され空気を圧縮して前記燃料電池へ供給する少なくとも１段の圧縮機とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記タービンを駆動した後の前記燃料ガスを前記燃料電池の空気供給管に導入し、該空気供給管内で該燃料ガスと空気とを燃焼させる機構を備え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。
【請求項４】
前記タービンを駆動した後の前記燃焼ガスを燃料電池の空気供給管に導入する機構を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記タービンで駆動される発電機を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記圧縮機を駆動するモータを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に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、高圧燃料ガスのエネルギーを有効に利用可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸化剤ガスとを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
燃料電池システムでは燃料ガスの利用率を高めるために、燃料電池からの燃料ガス排気を燃料循環ポンプにより燃料電池入口に還流させることで燃料ガスの再利用を行うものがある。このようなシステムでは、燃料循環ポンプを駆動するための動力が必要となるが、特許文献１記載の技術では、燃料電池からの酸化剤ガス排気により燃料循環ポンプを駆動することで、動力消費の増加を抑制し、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２００３−０３１２４４号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成では、発電前の燃料流体が持つエネルギーを利用することができないため、燃料電池システムの効率向上には限界があった。特に自動車用の固体高分子型燃料電池システムでは、燃料の貯蔵方法としては水素ガスを数百気圧程度に加圧してタンクに貯蔵することが行われており、高圧水素ガスが持つ圧力エネルギーは非常に大きいが、有効に利用されないままとなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池と、該燃料電池に供給する燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料タンクと、該燃料タンクから取り出される燃料ガスの膨張により駆動されるタービンと、該タービンに連結され空気を圧縮して前記燃料電池へ供給する圧縮機とを備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【０００６】
また、本発明は、燃料電池と、該燃料電池に供給する燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料タンクと、該燃料タンクから取り出された燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で燃焼された燃焼ガスで駆動されるタービンと、該タービンに連結され空気を圧縮して前記燃料電池へ供給する圧縮機とを備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００７】
第１発明によれば、燃料ガスの圧力エネルギーを有効利用して、燃料電池に供給する空気を圧縮することが可能となり、燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【０００８】
第２発明によれば、燃料ガスの化学エネルギーを発電過程を介さずに圧縮機の仕事に変換することが可能となるので、発電した電力で圧縮機を駆動するよりも燃料電池システムの効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施形態は、特に限定されないが、燃料電池車両に好適な実施形態である。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例１の概略構成を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、加圧された水素を貯蔵する水素タンク２と、減圧弁３，４と、減圧弁３で減圧された水素ガスにより回転駆動されるタービン５と、タービン５に連結軸６で連結された圧縮機７と、外気を取り込んで圧縮機７へ供給する外気取入管８と、圧縮機７で圧縮された空気を燃料電池スタック１１へ供給する空気供給管９と、燃料電池スタック１１へ水素を供給する水素供給管１０と、供給された水素及び空気を用いて発電する例えば固体高分子型の燃料電池スタック１１と、余分の空気を燃料電池スタック１１から排出する空気排出管１２と、余分の水素を燃料電池スタックから排出する水素排出管１３とを備えている。
【００１１】
本実施例１では、水素タンク２から放出された水素ガスは、分岐して減圧弁３と減圧弁４とにそれぞれ流入する。例えば、自動車用燃料電池システムの水素タンクにおいては数百気圧ある水素ガスは減圧弁３および４により数気圧程度まで圧力を低下させられる。減圧弁４を通過した水素ガスは、燃料電池スタック１１のアノード極に供給される。減圧弁３を通過した水素ガスはタービン５に導入される。
【００１２】
タービン５は、連結軸６で圧縮機７に連結されている。タービン５の内部で水素ガスが膨張することにより、タービン５は回転駆動され、この回転が連結軸６により圧縮機７に伝えられることで空気の圧縮が行われる。
【００１３】
圧縮機７で圧縮された空気は、空気供給管９を介して燃料電池スタック１１のカソードに供給される。タービン５から排出された水素ガスは、例えば減圧弁４を通過した水素ガスとともに、水素供給管１０を介して燃料電池スタック１１のアノードに供給される。
【００１４】
本実施例１によれば、燃料電池に空気を供給する圧縮機の駆動を発電反応前の水素ガスの膨張エネルギーにより行うため、高圧で貯蔵された水素ガスの圧力エネルギーを有効利用して、燃料電池システムの効率を向上させることができるという効果がある。なお、本発明で使用する圧縮機については、水素ガスの圧力エネルギーを仕事へ変換する効率が高まるため、多段式であることが望ましい。
【実施例２】
【００１５】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。図２は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例２の概略構成を示すシステム構成図である。実施例２では、実施例１の構成に加えて、減圧弁３とタービン５との間の配管上に、水素タンク２から導かれた水素ガスに空気を取り入れて燃焼させる燃焼器１５を備える。また燃焼器１５に空気を供給する外気取入管１４と、燃焼器１５から燃焼ガスを排出する燃焼ガス排気管１６を備える。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００１６】
本実施例２では、水素タンク２から導かれ減圧弁３で減圧された水素ガスは、燃焼器１５により燃焼させられ、燃焼ガスとなってタービン５に供給される。燃焼ガスにより回転駆動されたタービン５は、連結軸６を介して圧縮機７を駆動し、空気が圧縮されて燃料電池スタック１１へ供給される。したがって、本実施例によれば、水素ガスの化学エネルギーを発電過程を介さずに燃焼によって直接的に圧縮機７の仕事に変換することが可能となるので、燃料電池システムの効率を向上させることができるという効果がある。
【実施例３】
【００１７】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。図３は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例３の概略構成を示すシステム構成図である。実施例３では、実施例２の構成に加えて、タービン５に接続された発電機１７を備えている。その他の構成は、図２に示した実施例２と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００１８】
本実施例では、タービン５が駆動されることにより発電機１７で発電を行う。この発電機１７の発電電力により、図示しない二次電池等を充電したり、図示しない燃料電池冷却液循環ポンプを駆動することが可能である。
【００１９】
以上説明したように本実施例によれば、燃料電池の発電中に燃料ガスの圧力エネルギーを電気エネルギーに変換して直接、或いは蓄積した上で再利用することが可能となり、燃料電池システムの効率を向上させることができるという効果がある。尚、図１に示した実施例１に発電機１７を追加しても同様の効果がある。
【実施例４】
【００２０】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。図４は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例４の概略構成を示すシステム構成図である。実施例４では、実施例１または実施例２の構成に加えて、圧縮機７に接続されたモータ１８を備えている。その他の構成は、図２に示した実施例２と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００２１】
本実施例では、図示しない二次電池等からの電力や燃料電池スタック１１の電力によりモータ１８を動作させることで、圧縮機７を駆動し、圧縮した空気を燃料電池スタック１１のカソードに供給することが可能である。
【００２２】
以上説明したように本実施例によれば、二次電池等に蓄えられた余剰電力による圧縮機７の駆動が可能となるので、燃料電池システムの効率を向上させることができるという効果がある。尚、図１に示した実施例１にモータ１８を追加しても同様の効果がある。
【実施例５】
【００２３】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。図５は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例５の概略構成を示すシステム構成図である。実施例５では、実施例２の構成に加えて、圧縮機７と燃料電池スタック１１の間の空気供給管９上にガスの混合器９を備えている。またタービン５からの燃焼ガスは、三方弁２０により、混合気１９へ供給するか、燃焼ガス排気管１６を介して排気するかが切替可能となっている。その他の構成は、図２に示した実施例２と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。尚、三方弁２０、混合器１９、および空気供給配管９については、断熱材を有する構造になっていることが望ましい。
【００２４】
本実施例では、燃料電池システムの冷間起動時に、タービン５より排出される燃焼ガスは、三方弁２０，混合器１９、空気供給管９を介して、燃料電池スタック１１のカソードに導入され、燃料電池スタック１１が昇温される。燃料電池スタック１１の暖機後については、三方弁２０を切り換えて燃焼ガスを燃焼ガス排気管１６を介して放出し、燃焼ガスが南陵電池スタック１１のカソード内に導入されないようにすることで、燃料電池の不必要な昇温を防ぐことが出きる。尚、三方弁２０またはその機能を混合器１９の内部に内蔵することも可能である。
【００２５】
以上説明したように本実施例によれば、燃料電池の始動以前に二次電池等からの電力を消費することなしに燃料電池の暖機が可能となり、冷間起動の際の燃料電池システムの効率を向上させることができるという効果がある。
【実施例６】
【００２６】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例６を説明する。図６は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例６の概略構成を示すシステム構成図である。実施例６では、図５に示した実施例５の構成に加えて、混合器１９と燃料電池スタック１１の間の空気供給管９内に点火装置２１を備えている。点火装置２１としては、火花放電式点火装置や、グロープラグ等を利用することができる。その他の構成は、図５に示した実施例５と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００２７】
本実施例では、燃料電池システムの冷間起動時に、タービン５を駆動後の排ガスは混合器１９にて燃料電池スタック１１の空気供給９に導入され、点火装置２１により点火が行われて燃焼し、燃焼熱により昇温された空気が燃料電池スタック１１に供給され、燃料電池スタック１１が昇温される。燃料電池の暖機後には、三方弁２０を切り換えて排ガスを燃焼ガス排気管１６から排出し、排ガスが空気供給管９内に導入されないようにすることで、燃料電池スタック１１の不必要な昇温を防ぐことができる。なお、燃焼器１５における燃料と空気の比率を調整することで、燃焼器から排出される排ガス中に水素を残存させることにより、本実施例における空気供給管９内部の燃焼が可能である。
【００２８】
以上説明したように本実施例によれば、燃料電池の始動以前に二次電池等からの電力を消費することなしに燃料電池の暖機が可能となり、冷間起動の際の燃料電池システムの効率を向上させることができるという効果がある。
【００２９】
また、本実施例の変形例として、図６に示した構成から、外気取入管１４及び燃焼器１５を除去し、減圧弁３とタービン５とを管路で直接接続した構成も考えられる。この構成の場合においても、混合器１９へ水素ガスと空気とを供給し、点火装置２１により点火、燃焼させて燃料電池スタック１１を暖機することができ、本実施例の作用及び効果を得ることができる。
【００３０】
以上、好ましい実施例について説明したが、これらは本発明を限定するものではない。例えば、上記実施例では固体高分子型燃料電池を例として説明を行ったが、本発明の燃料電池の形態は固体高分子型に限らず、燃料ガスも水素に限るものではない。また、また酸化剤ガスである空気を燃料電池に供給する装置の形態も圧縮機に限らない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの実施例４の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの実施例５の構成を説明するシステム構成図である。
【図６】本発明に係る燃料電池システムの実施例６の構成を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
【００３２】
１：燃料電池システム
２：水素タンク
３：減圧弁
４：減圧弁
５：タービン
６：連結軸
７：圧縮機
８：外気取入管
９：空気供給管
１０：水素供給管
１１：燃料電池スタック
１２：空気排出管
１３：水素排出管
１４：外気取入管
１５：燃焼器
１６：燃焼ガス排気管
１７：発電機
１８：モータ
１９：混合器
２０：三方弁
２１：点火装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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