(57)【要約】【課題】大気圧が低い場合、所定の圧力まで空気を圧縮するときの温度上昇を抑制する。【解決手段】コンプレッサ７は、空気を吸い込んで圧縮し燃料電池スタック１の空気極入口１ｃへ供給するとともに、余剰の空気をワンウェイバルブ１３を介してアキュムレータ１５へ貯蔵する。制御装置２１は、吐出部温度センサ１１で検出した吐出部温度が所定値を超えたときに、吸入部圧力センサ９が検出した吸入部の圧力が１気圧未満であれば、吸入部圧力調整バルブ１７を開いて、コンプレッサ７の吸入部圧力を上昇させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮して燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、
該コンプレッサで圧縮された空気を貯蔵するアキュムレータと、
前記コンプレッサの入口部と前記アキュムレータとの間を開閉する第１バルブと、
前記コンプレッサの吐出部と前記アキュムレータとの間を開閉する第２バルブと、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
第２バルブは、前記コンプレッサの吐出部の圧力に応じて開閉す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】
前記コンプレッサが吐出する空気の温度を検出する温度検出手段を備え、
該温度検出手段が検出した温度が高いほど第１バルブの開度を大きくす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４】
前記コンプレッサの入口部の圧力を検出する圧力検出手段を備え、
該圧力検出手段が検出した圧力が低いほど第１バルブの開度を大きくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に圧縮した空気を酸化剤ガスとして燃料電池に供給する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、酸素を含む空気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】
このような燃料電池に、圧縮した空気を酸化剤ガスとして供給する従来技術としては、特許文献１に示すようにコンプレッサ吐出部を冷却水で冷やすことにより吐出部の温度を保持するというものがあげられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１０６４８４号公報（第４頁、図１、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、標高が高い場所等、大気圧が低い状態で燃料電池を運転しようとすると、所定の圧力まで空気を圧縮して昇圧するときの温度上昇が、一気圧付近に比べて大きくなるという問題点があった。
【０００６】
さらに圧縮した空気の冷却に冷却水を用いると、寒冷地で冷却水が凍結するという問題点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、空気を圧縮して燃料電池の空気極に供給するコンプレッサと、該コンプレッサで圧縮された空気を貯蔵するアキュムレータと、前記コンプレッサの入口部と前記アキュムレータとの間を開閉する第１バルブと、前記コンプレッサの吐出部と前記アキュムレータとの間を開閉する第２バルブと、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、大気圧が低い場合でもコンプレッサで圧縮された空気の温度を過度に上昇させること無く、所定の圧力まで空気を圧縮して燃料電池へ供給することができるという効果がある。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
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。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明するシステム構成図であり、特に燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【００１０】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１と、燃料極入口１ａへ水素を含んだ燃料ガスを供給する水素供給装置３と、燃料極出口１ｂから図外の燃焼器へ不純物を含んだ水素を放出する水素パージバルブ５と、空気を吸い込んで圧縮し燃料電池スタック１の空気極入口１ｃへ供給するコンプレッサ７と、コンプレッサ７の吸入部の圧力を検出する吸入部圧力センサ９と、コンプレッサ７の吐出部の温度を検出する吐出部温度センサ１１と、コンプレッサ７で圧縮された空気を貯蔵するアキュムレータ１５と、コンプレッサ７の吐出部からアキュムレータ１５へ一方向に圧縮空気を通過させるワンウェイバルブ１３（第２バルブ）と、アキュムレータ１５とコンプレッサ７の吸入部とを連通可能な吸入部圧力調整バルブ１７（第１バルブ）と、空気極出口１ｄの空気圧力を調整する空気極圧力調整バルブ１９と、吸入部圧力センサ９及び吐出部温度センサ１１の検出結果に基づいて吸入部圧力調整バルブ１７を制御する制御装置２１とを備えている。
【００１１】
吐出部温度センサ１１は、コンプレッサ７の吐出部の温度またはコンプレッサ７が吐出する圧縮空気の温度を検出するものであり、なるべく熱容量が小さく、応答性の高いものが好ましい。
【００１２】
尚、図示しないが、燃料電池システムは、燃料電池スタック１の温度を適温に保持する冷却系を備えている。
【００１３】
次に、図１に示した燃料電池システムの空気系の作用を説明する。
大気より空気をコンプレッサ７に吸い込み、コンプレッサ７で圧縮し、昇圧された空気を燃料電池スタック１へと供給する。燃料電池スタック１を空気が通過する際、発電に必要な酸素が燃料電池スタック１で使用され、その余剰分が空気極出口１ｄの空気極圧力調整バルブ１９へと流れ、そこの絞り量を制御装置２１が調整することで、空気極圧力を制御する。
【００１４】
燃料電池車両が低地から高地へ登坂すると、高度が上昇するに連れて大気圧が低下し、コンプレッサで大気を圧縮して所定の圧力まで昇圧させる際、１気圧の場合に比べると外気温が同じであれば、コンプレッサが吐出する圧縮空気の温度はより高温となってしまう。これは、圧力上昇代が多い分、温度の上昇代が大きくなるからである。
【００１５】
本実施形態では、予めコンプレッサ７により圧縮した空気をワンウェイバルブ１３を介してアキュムレータ１５に貯蔵しておき、大気圧が低下した場合、アキュムレータ１５から吸入部圧力調整バルブ１７を介してコンプレッサ７の吸入部へ貯蔵した圧縮空気を放出することにより、コンプレッサ７の吸気圧力を上昇させる。これにより、コンプレッサ７の圧力上昇代が減少し、吐出空気の過度な温度上昇を防止することができる。
【００１６】
アキュムレータ１５への蓄圧は、コンプレッサ７の吐出部とアキュムレータ１５の間に配置したワンウェイバルブ１３が所定の設定圧以上のときに開くことで行われる。このとき、コンプレッサ７の吐出圧が所定値以上のときアキュムレータ１５とコンプレッサ７の吐出部が連通される。通常の運転時にコンプレッサ７が圧縮した空気の余剰分がアキュムレータ１５に蓄圧されることになる。
【００１７】
次に、図２及び図３のフローチャートを参照して、本実施形態における制御内容を説明する。
【００１８】
図２において、まずステップＳ１０で、吐出部温度センサ１１が検出したコンプレッサ７の吐出部の温度Ｔを制御装置２１が読み込む。次いでステップＳ１２で、吐出部の温度Ｔが所定の上限温度を超えているか否かを判定する。
【００１９】
ステップＳ１２の判定で、所定の上限温度を超えていたら、ステップＳ２０へ進み、コンプレッサ吸入部を所定圧に制御するように図３に詳細を説明する吸入部圧力制御を行う。ステップＳ１２の判定で、所定の上限温度を超えていなければ、何もせずにリターンする。
【００２０】
図３において、吸入部圧力制御が始まると、まずステップＳ２２で、吸入部圧力センサ９が検出したコンプレッサ７の吸入部の圧力値Ｐを読み込む。次いでステップＳ２４で、吸入部の圧力Ｐが１気圧Ｐ０より低いか否かを判定する。
【００２１】
ステップＳ２４の判定で、吸入部の圧力Ｐが１気圧Ｐ０より低い場合には、ステップＳ２６へ進み、吸入部圧力調整バルブ１７の開度を大きくし（開き）、コンプレッサ７の吸入部の圧力を１気圧相当まで昇圧させて、リターンする。
【００２２】
また、ステップＳ２４の判定で、吸入部の圧力Ｐが１気圧Ｐ０より低くない場合には、ステップＳ２８へ進み、吸入部圧力調整バルブ１７の開度を小さくして（閉じて）、リターンする。
【００２３】
このようにして、コンプレッサ吸入部の圧力が下がったときには、アキュムレータからコンプレッサ吸入部へ空気を供給するので、コンプレッサ出口の温度を上限温度まで上げずに制御することができる。
【００２４】
以上説明したように本実施形態によれは、アキュムレータ内の圧力を吸入側バルブを介して放出することにより、コンプレッサ吸入部の圧力を高めることができるので、大気圧が低い場合に吐出圧を所定の圧力まで昇圧しても、圧縮空気の温度上昇が標準状態と変わらなくなるため、コンプレッサ又は燃料電池スタックの耐熱温度以下で常時コンプレッサを運転することができる。
【００２５】
また吐出部の温度を検出する温度センサや、吸入部の圧力を検出する圧力センサに基づき吸入側バルブを制御して吸入圧力を制御するので、アキュムレータ内の圧縮空気の圧力を無駄に使うこともなく、コンプレッサが無駄なエネルギーを消費することもない。
【００２６】
また、コンプレッサ及び圧縮空気を冷却する冷却水の不要なので、冷却水の凍結の対策を施す必要もない。
【００２７】
〔第２実施形態〕
図４は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明するシステム構成図であり、第１実施形態と同様に燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【００２８】
図４において、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１と、燃料極入口１ａへ水素を含んだ燃料ガスを供給する水素供給装置３と、燃料極出口１ｂから図外の燃焼器へ不純物を含んだ水素を放出する水素パージバルブ５と、空気を吸い込んで圧縮し燃料電池スタック１の空気極入口１ｃへ供給するコンプレッサ７と、コンプレッサ７の吸入部の圧力を検出する吸入部圧力センサ９と、コンプレッサ７が吐出する圧縮空気の温度を検出する吐出部温度センサ１１と、コンプレッサ７で圧縮された空気を貯蔵するアキュムレータ１５と、コンプレッサ７の吐出部からアキュムレータ１５へ圧縮空気を通過させる吐出部圧力調整バルブ２５（第２バルブ）と、アキュムレータ１５とコンプレッサ７の吸入部とを連通可能な吸入部圧力調整バルブ１７（第１バルブ）と、空気極出口１ｄの空気圧力を調整する空気極圧力調整バルブ１９と、コンプレッサ７の吐出部の圧力を検出する吐出部圧力センサ２３と、吸入部圧力センサ９及び吐出部温度センサ１１及び吐出部圧力センサ２３の検出結果に基づいて吸入部圧力調整バルブ１７及び吐出部圧力調整バルブ２５を制御する制御装置２１とを備えている。
【００２９】
第２実施形態は、第１実施形態のワンウェイバルブ１３に代えて、コンプレッサ吐出部の圧力を検出する吐出部圧力センサ２３と、開閉を切り換えられる吐出部圧力調整バルブ２５（第２バルブ）とを設けている。そして、制御装置２１は、吐出部圧力センサ２３が検出したコンプレッサ７の吐出部圧力Ｐ２の基づいて、吐出部圧力調整バルブ２５の開閉を制御することにより、アキュムレータの加圧を制御する。
【００３０】
尚、全体の制御フロー、及び吸入部圧力制御については、図２及び図３に示した第１実施形態の制御フローと同様である。
【００３１】
図５は、本実施形態におけるアキュムレータ加圧制御を説明するフローチャートである。
【００３２】
まずステップＳ３０において、吐出部圧力センサ２３が検出したコンプレッサ７の吐出部の圧力値Ｐ２を制御装置２１が読み込む。次いでステップＳ３２で、吐出部の圧力値Ｐ２が所定圧力Ｐ２０を超えているか否かを判定する。この所定圧力Ｐ２０は、コンプレッサ７の圧縮能力及びアキュムレータ１５の耐圧から安全係数を見積もって定められる。
【００３３】
ステップＳ３２の判定で、Ｐ２がＰ２０を超えていれば、ステップＳ３４へ進み、吐出部圧力調整バルブ２５を開いて、リターンする。ステップＳ３２の判定で、Ｐ２がＰ２０を超えていなければ、ステップＳ３６へ進み、吐出部圧力調整バルブ２５を閉じて、リターンする。
【００３４】
以上説明したように本実施形態によれは、アキュムレータ内の圧力を吸入側バルブを介して放出することにより、コンプレッサ吸入部の圧力を高めることができるので、大気圧が低い場合に吐出圧を所定の圧力まで昇圧しても、圧縮空気の温度上昇が標準状態と変わらなくなるため、コンプレッサ又は燃料電池スタックの耐熱温度以下で常時コンプレッサを運転することができる。
【００３５】
また吐出部の温度を検出する温度センサや、吸入部の圧力を検出する圧力センサに基づき吸入側バルブを制御して吸入圧力を制御するので、アキュムレータ内の圧縮空気の圧力を無駄に使うこともなく、コンプレッサが無駄なエネルギーを消費することもない。
【００３６】
また、コンプレッサ及び圧縮空気を冷却する冷却水の不要なので、冷却水の凍結の対策を施す必要もない。
【００３７】
さらに、コンプレッサ吐出部の圧力検出値に基づいてきめ細かく吐出部圧力調整バルブの開閉を制御することができるので、コンプレッサのエネルギー消費を一層節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明するシステム構成図である。
【図２】第１実施形態における制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】第１実施形態における制御内容を説明するフローチャートである。
【図４】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明するシステム構成図である。
【図５】第２実施形態における制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池スタック
１ａ…燃料極入口
１ｂ…燃料極出口
１ｃ…空気極入口
１ｄ…空気極出口
３…水素供給装置
５…水素パージバルブ
７…コンプレッサ
９…吸入部圧力センサ
１１…吐出部温度センサ
１３…ワンウェイバルブ（第２バルブ）
１５…アキュムレータ
１７…吸入部圧力調整バルブ（第１バルブ）
１９…空気極圧力調整バルブ
２１…制御装置
２３…吐出部圧力センサ
２５…吐出部圧力調整バルブ（第２バルブ）
【図１】
2004235076.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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