(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池によって駆動される主回路系機器と、前記燃料電池に供給する水素を貯留する水素供給源を有する水素供給システムとを備える燃料電池システムにおいて、
前記水素供給システムは、冷却配管によって前記主回路系機器の外周部と接続され、前記主回路系機器と前記燃料電池とは水素供給配管によって接続されて前記燃料電池に水素を供給し、
前記冷却配管は前記主回路系機器をバイパスするバイパス弁を介して前記水素供給配管に分岐する水素分岐配管を備え、
前記冷却配管又は前記水素供給配管を流通する水素の温度が所定の温度以上となった場合には前記バイパス弁を開放して前記主回路系機器での熱交換を迂回した低温の水素と、前記主回路系機器での熱交換によって温められた水素を混ぜることで前記水素供給配管を流通する水素の温度を制御する水素供給制御装置を備える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において、
前記水素供給システムは、前記水素の圧力を制御する減圧弁を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記水素供給システムは、前記水素の流量を制御する水素ポンプを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却配管には、前記水素の温度を下げる膨張機を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された燃料電池システムを備える鉄道車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を電力源とする燃料電池システムに関し、特に、燃料電池車両などの移動体や定置設備に適用される燃料電池システムの冷却方式に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
昨今の二酸化炭素削減や脱枯渇系燃料使用の観点から、軽油やガソリンを燃料とする移動体の代替として、燃料電池システムを備えた移動体や定置設備の実用化に対する期待が高まっている。
【０００３】
このような燃料電池システムは、燃料電池によって駆動されるモータの回転を制御するインバータやコンバータなどの主回路系機器を備えているが、このような主回路系機器は半導体素子のスイッチング等によって発熱するため、適切な温度まで冷却する必要がある。
【０００４】
従来の冷却方法は、種々の冷却方法が知られているが、例えば、移動体の走行による走行風を利用した空冷式や、下記の特許文献に記載された水冷式が知られている。
【０００５】
特許文献１に記載された冷却方法は、燃料電池で生成された水の排水管を高温となる主回路系機器の外周部に配管し、該排水管を流通する排水を主回路系機器より発生する熱で水蒸気に気化させると同時に該排水を主回路系機器の冷却媒体として用いている。
【０００６】
また、特許文献２に記載された冷却方法は、車両走行駆動用電動機の回転を制御するインバータを冷却用冷媒が封入してあるケース内に収容し、空気圧縮機駆動用電動機の出力軸に羽根車を設け、この羽根車の回転によって冷却用冷媒を掻き上げてインバータに散布して冷却している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３３５１７７号公報
【特許文献２】特開２００４−３５７４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来の燃料電池システムの冷却方法によると、空冷式の場合は、走行風を適切に主回路系機器の冷却に用いることができるように、主回路系機器にフィンを形成したり、ヒートシンクを取り付けたりする必要があり、水冷式の場合は、冷却用冷媒の保管や配管のスペースを確保する必要があり、冷却装置が大型化するという問題があった。冷却装置が大型化すると、例えば移動体に搭載する際に、同一の車両内に全ての機器を搭載できなくなるなどの艤装面での問題が生じるおそれがある。
【０００９】
また、昨今の脱枯渇系燃料使用の背景として、燃料として用いる資源を有効に活用するために、燃料電池システムの燃費向上によるエネルギー利用効率の向上も求められている。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、主回路機器の冷却装置を大型化することなく、適切に冷却を行うことができると共に、エネルギー利用効率の向上を図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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池によって駆動される主回路系機器と、前記燃料電池に供給する水素を貯留する水素供給源を有する水素供給システムとを備える燃料電池システムにおいて、前記水素供給システムは、冷却配管によって前記主回路系機器の外周部と接続され、前記主回路系機器と前記燃料電池とは水素供給配管によって接続されて前記燃料電池に水素を供給し、前記冷却配管は前記主回路系機器をバイパスするバイパス弁を介して前記水素供給配管に分岐する水素分岐配管を備え、前記冷却配管又は前記水素供給配管を流通する水素の温度が所定の温度以上となった場合には前記バイパス弁を開放して前記主回路系機器での熱交換を迂回した低温の水素と、前記主回路系機器での熱交換によって温められた水素を混ぜることで前記水素供給配管を流通する水素の温度を制御する水素供給制御装置を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記水素供給システムは、前記水素の圧力を制御する減圧弁を備えると好適である。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記水素供給システムは、前記水素の流量を制御する水素ポンプを備えると好適である。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記冷却配管には、前記水素の温度を下げる膨張機を備えると好適である。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記冷却配管は、前記燃料電池に分岐する水素分岐配管を備えると好適である。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、鉄道車両に備えられると好適である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムは、熱伝導度の高い水素を主回路系機器の冷却用冷媒として用いるので、より効率的に主回路系機器の冷却を行うことができ、燃料として用いられる水素を冷媒として用いることで、冷却装置の大型化を抑制することができる。また、主回路系機器の冷却に伴う熱交換によって水素が温められ、該温められた水素が燃料電池の燃料として供給されるため、燃料電池のエネルギー効率が向上し、燃料電池システムのエネルギー利用効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。
【図２】主回路系機器の構成を説明するための概略図。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの変形例を説明するための構成図。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの他の変形例を説明するための構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図であり、図２は、主回路系機器の構成を説明するための概略図であり、図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの変形例を説明するための構成図であり、図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの他の変形例を説明するための構成図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１０と、該燃料電池１０によって駆動される主回路系機器２０と、燃料電池１０に供給する水素を貯留する水素供給源３１を備える水素供給システム３０とを備えている。
【００２４】
燃料電池１０は、種々の形式の燃料電池を用いることができ、水素供給システム３０からの水素と空気中の酸素を電気化学的に反応させることで発電している。
【００２５】
また、図２に示すように、燃料電池１０において発電された電力が主回路系機器２０に供給されて主回路系機器２０を構成するインバータ２１に供給されて直流電流を交流電流に変換しモータ２２を駆動させている。なお、主回路系機器２０は、上述したインバータ２１やチョッパ２３などの電力変換装置やモータ２２を備えており、モータ２２は、例えば鉄道車両の車輪の駆動に用いられる。
【００２６】
水素供給システム３０は、水素を貯留する水素供給源３１と、後述する水素供給制御装置５０によって開閉制御される水素供給電磁弁３４と、減圧弁３３とを備えている。減圧弁３３は所定の圧力以下に水素の圧力を減圧するために備え付けられており、例えば、１ＭＰａ以上の高圧で水素供給源３１に貯留された水素を１ＭＰａ未満の低圧水素とし、燃料電池システム１内を流れる水素の圧力を常に一定に維持している。また、水素供給電磁弁３４は、水素供給制御装置５０からの指示によって開閉されることで、燃料電池システム１に水素を供給又は遮断している。
【００２７】
水素供給システム３０は、冷却配管４０によって主回路系機器２０の外周部と接続され、主回路系機器２０と燃料電池１０とは水素供給配管４１によって接続されている。また、冷却配管４０と主回路系機器２０の間には、膨張機４４が取り付けられており、膨張機４４によって、水素が断熱膨張することで水素温度を積極的に低減している。尚、この膨張機４４の取り付けは任意であり、求められる性能に応じて膨張機４４を取り付け又は取り外しを適宜選択することができる。このように構成されることで、水素供給システム３０から供給された水素は、主回路系機器２０の外周部を流通するので、半導体素子のスイッチングなどにより発熱した主回路系機器２０を冷却する所謂水素冷却システムを構成している。
【００２８】
なお、主回路系機器２０を冷却した水素は、熱交換によって温度が高くなるが、燃料電池１０に供給される水素の温度が一定まで高い（例えば６０〜７０℃）方が燃料電池１０のエネルギー変換効率が良いため、水素冷却システムによって温められた水素は、燃料電池１０のエネルギー変換効率の向上にも寄与する。
【００２９】
また、冷却配管４０には、冷却配管４０を流通する水素の温度及び圧力を検出する温度センサ４２及び圧力センサ４３が備えられており、水素供給配管４１には、水素供給配管４１を流通する水素の温度及び圧力を検出する温度センサ５１及び圧力センサ５２が備えられている。これらの温度センサ４２，５１及び圧力センサ４３，５２によって検知された温度及び圧力によって水素供給制御装置５０は燃料電池システム１を流れる水素の温度監視及び圧力制御を行っている。
【００３０】
また、冷却配管４０と水素供給配管４１とは、主回路系機器２０をバイパスするバイパス弁３２を備えている。バイパス弁３２は、水素供給制御装置５０によって温度制御されており、冷却配管４０又は水素供給配管４１を流通する水素の温度が所定の温度以上になった場合には、バイパス弁３２を開放して主回路系機器２０での熱交換を迂回した低温の水素と、主回路系機器２０での熱交換によって温められた水素を混ぜることで燃料電池システム１内の水素温度を低下させ過度に高温の水素が燃料電池１０に供給されないように制御している。このように、バイパス弁３２による温度制御を水素供給制御装置５０によって行っているので、燃料電池１０に不当に高温の水素を供給することを防止でき、燃料電池１０の高分子膜などの損傷を防止している。
【００３１】
このように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、水素供給システム３０から供給される水素によって主回路系機器２０の冷却を行っているので、主回路系機器２０を冷却するためのフィンを形成したり、ヒートシンク、冷却用冷媒の保管や配管のスペースを確保する必要がなく主回路系機器２０の小型化を図ることができる。この主回路系機器２０の小型化により、鉄道車両に燃料電池システム１を適用して燃料電池車両を構成した場合であっても、燃料電池車両の同一車両内に適切な冷却方式を有する燃料電池システムを搭載して艤装上の問題を解決することができる。また、主回路系機器２０の冷却による熱交換によって水素の温度が高くなるため、燃料電池１０のエネルギー変換効率の向上にも寄与する。
【００３２】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１は、水素供給の圧力を一定に制御し、電気的な負荷に追従して必要な流量が流れ、水素を燃料電池に供給すると共に、主回路系機器２０の冷却も同時に行っている。
【００３３】
なお、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池システム１を流通する水素の圧力が一定となる圧力一定式の燃料電池システムについて説明を行ったが、図３に示す本実施形態の変形例に係る燃料電池システム２のように、水素供給配管４１が水素ポンプ４５を介して燃料電池１０に接続されているように構成されていても構わない。このように構成することで、燃料電池システム２内を流通する水素の流量を制御する燃料電池システム２を構成することができる。このような燃料電池システム２によれば、電気的な負荷に追従させて水素流量を変化させるので、冷却系も同時に負荷に追従する燃料電池システムを構築することができる。
【００３４】
また、図４に示す本実施形態の他の変形例に係る燃料電池システムのように、冷却配管４０から燃料電池１０を冷却するラジエータ１１に水素分岐配管４６を分岐させて燃料電池１０を冷却するように構成しても構わない。このように構成することで、ラジエータ１１の小型化を図ることができ、燃料電池システムの小型化に寄与する。
【００３５】
また、本実施形態では、燃料電池１０と主回路系機器２０とを水素供給配管４１によって直接接続した場合について説明を行ったが、水素供給配管４１には、水素の逆流を防止する逆止弁を備えても構わない。また、バイパス弁３２の上流に水素供給制御装置５０によって温度制御された冷却用電磁弁を備えることもできる。このような冷却用電磁弁を備えることで必要なタイミングで水素の冷却を行うことが可能となる。
【００３６】
また、本実施形態に係る燃料電池１０は、鉄道車両などに搭載され、燃料電池車両として構成した場合について説明を行ったが、例えば病院などの発電設備として備え付けられる定置設備に採用しても構わない。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれうることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００３７】
１，２      燃料電池システム，
１０        燃料電池，
１１        ラジエータ
２０        主回路系機器，
２１        インバータ，
２２        モータ，
２３        チョッパ，
３０        水素供給システム，
３１        水素供給源，
３２        バイパス弁，
３３        減圧弁，
３４        水素供給電磁弁，
４０        冷却配管，
４１        水素供給配管，
４２，５１  温度センサ，
４３，５２  圧力センサ，
４４        膨張機，
４５        水素ポンプ，
４６        水素分岐配管，
５０        水素供給制御装置。
【図１】
0006611328.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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