(57)【要約】【課題】改質器に原燃料を供給する吐出ポンプの小サイズ化、軽量化、低消費電力化を実現する。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池（２３）と、燃料電池（２３）に酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサ（１２）と、燃料ガスを生成するための原燃料を貯溜するタンク（２４）と、原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器（２２）と、エアコンプレッサ（１２）から作動エアの供給を受けて、原燃料タンク（２４）に貯溜する原燃料を改質器（２２）に供給するためのエア駆動式ポンプ（１８）を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサと、
前記燃料ガスを生成するための原燃料を貯溜する原燃料タンクと、
前記原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、
前記エアコンプレッサから作動エアの供給を受けて、前記原燃料タンクに貯溜する原燃料を前記改質器に供給するエア駆動式ポンプと、
を備える、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、
前記エアコンプレッサから前記エア駆動式ポンプに供給される作動エアのエア圧を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段が検出したエア圧に基づいて前記作動エアを所定のエア圧に制御する圧力制御手段を備える、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記エア駆動式ポンプは、エア駆動式ダイアフラムポンプである、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関し、特に、原燃料を改質器に供給するための吐出ポンプの改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムをオンボード発電機として運用する燃料電池電気自動車においては、メタノールなどの炭化水素系液体原燃料を原燃料タンクに貯溜し、これを車上で水素リッチな燃料ガスに改質する方式が知られている。液体燃料であれば、車両の搭載性及び可搬性に優れている上に、エネルギー密度の点においても水素ガスを貯蔵する方式よりも優れている。原燃料タンクに貯溜した原燃料を改質器に供給するための吐出ポンプとして、従来では電動式の吐出ギヤポンプを用いており、原燃料の供給経路にリリーフバルブを設けることで、吐出圧の変動に伴い過圧された原燃料を原燃料タンクに還流させ、ポンプの吐出圧力が一定になるように構成していた。モータ駆動式の吐出ポンプで改質器にメタノールを供給する構成を開示した文献として、例えば、特開２００１−２４７２００号公報が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２４７２００号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、原燃料タンクから改質器へ原燃料を供給するための原燃料供給ラインにおいては、上流側の圧力が高圧（例えば、３５０ｋＰａＡｂｓ）になるため、電動ポンプには高い吐出能力が要求される。このような要求を満たすためには、原燃料タンクから原燃料を汲み上げるためのポンプと、これを駆動するモータは何れもその体格（容量）、重量が大きなものとなる。さらに、電動モータは常時一定回転数で運転させる必要があり、補機類の消費電力が大きくなる。車両に搭載される燃料電池システムとしては、ポンプなどの補機類は小サイズ、軽量、低消費電力であることが望ましい。
【０００５】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、小サイズ、軽量、低消費電力の原燃料吐出ポンプを備えた燃料電池システムを提案することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサと、燃料ガスを生成するための原燃料（液体原燃料）を貯溜する原燃料タンクと、原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、エアコンプレッサから作動エアの供給を受けて、原燃料タンクに貯溜する原燃料を改質器に供給するエア駆動式ポンプを備える。改質器に原燃料を供給するための吐出ポンプとしてエア駆動式ポンプを採用することにより、小サイズ、軽量化を図ることができる。さらに、吐出ポンプを駆動するための電力を要しないため、燃料電池電気自動車に搭載される補機類として好適である。
【０００７】
本発明の好適な形態として、上述の構成に加えて、エアコンプレッサからエア駆動式ポンプに供給される作動エアのエア圧を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段が検出したエア圧に基づいて作動エアを所定のエア圧に制御する圧力制御手段を備える。エア駆動式ポンプに供給する作動エアは圧力変動のない安定したエアであることが要求されるため、作動エア圧が略一定となるように圧力調整を行うことが望ましい。
【０００８】
ここで、上述の「圧力検出段」には、作動エア圧を計測する圧力センサだけでなく、例えば、作動エアの生成源となるエアコンプレッサの回転数から作動エア圧を推定するエア圧推定手段が含まれる。この他に、エアコンプレッサからエア駆動式ポンプに作動エアを供給するための作動エア流路に設置されたＰＷＭ制御式制御弁のデューティ値などから作動エア圧を推定するエア圧推定手段も圧力検出手段に含まれる。また、「圧力制御手段」には、作動エア圧を基にエアコンプレッサの回転数をフィードバック制御する手段だけでなく、例えば、エアコンプレッサからエア駆動式ポンプに作動エアを供給するための作動エア流路に設置された制御弁をＰＷＭ制御する手段などが含まれる。
【０００９】
改質器に原燃料を供給するためのエア駆動式ポンプとしては、エア駆動式ダイアフラムポンプが好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［発明の実施形態１］
以下、図１を参照して本発明の好適な第１実施形態について説明する。
同図は原燃料タンクから改質器へ原燃料を供給するための原燃料供給路を中心とするシステム構成図である。この燃料電池システムは、主に、液体原燃料を貯溜するための原燃料タンク２４と、原燃料を水素リッチな燃料ガスに改質するための改質器２２と、酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池２３と、燃料タンク２４に貯溜された原燃料を改質器２２に供給するためのエア駆動式ポンプ１８と、エア駆動式ポンプ１８に作動エアを供給するためのエアコンプレッサ１２と、要求負荷に応じてエアコンプレッサ１２などの補機類の駆動制御を行う制御部４０を備えて構成されている。
【００１１】
エアコンプレッサ１２はモータ１３から供給される回転トルクによって作動し、エアフィルタ１１を介して車外から吸引したエアを加圧する。エアコンプレッサ１２から出力される加圧エア（圧縮空気）の一部は酸化ガス流路３１を経由して燃料電池２３の空気極に供給され、電池反応に供するための酸化ガスとして利用される。また、エアコンプレッサ１２から出力される加圧エアの他の一部は酸化ガス流路３１から分岐する作動エア流路３２を経由してサージタンク１５に供給され、エア駆動式ポンプ１８を作動させるための作動エアとして利用される。作動エアを一旦、サージタンク１５に蓄えることにより、エア圧の脈動を吸収することができる。サージタンク１５には内圧（背圧）を検出するための圧力センサ２５が設けられており、内圧に変動が生じると、内圧が略一定値に保持されるように、制御部４０によってエアコンプレッサ１２の回転数がフィードバック制御される。
【００１２】
サージタンク１５に導入された加圧エアは作動エア流路３３を経由し、エア駆動式ポンプ１８を作動する。エア駆動式ポンプ１８を作動させるための作動エアはできるだけ圧力変動のない安定したエア圧を有し、かつ、不純物の含有量が少ないエアであることが望ましい。このため、作動エア流路３３には、加圧エアに含有されている粉塵、水分、油分、オイルミストなどを除去するためのエアフィルタ１６と、エア圧を一定値（例えば、３００ｋＰａＡｂｓ）に調整するためのレギュレータ１７が配設されている。エア駆動式ポンプ１８としては、エア駆動式ダイアフラムポンプ（プロセスポンプ）が好適である。
【００１３】
原燃料タンク２４には、メタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）と水が予め所定の比率で混合された混合溶液が貯溜されている。ここでは、原燃料としてメタノールと水の混合溶液を例示するが、これに限られるものではなく、例えば、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ５）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）、ジメチルエーテル（ＣＨ３ＯＣＨ３）、アセトン（ＣＨ３Ｃ（＝Ｏ）ＣＨ３）、ガソリン、軽油、天然ガスなどの炭化水素系液体原燃料を利用することができる。エア駆動式ポンプ１８は一定のエア圧に調整された作動エアの供給を受けて原燃料タンク２４から原燃料を吸引し、原燃料供給路５０に原燃料を吐出する。原燃料は安定した圧力で改質器２２に供給される必要があるため、原燃料供給路５０にはエア駆動式ポンプ１８の脈動を吸収し、圧力変動を吸収するためのダンパ１９と、原燃料の圧力を一定に調整するためのレギュレータ２０が配設されている。
【００１４】
インジェクタ２１は、原燃料供給路５０から供給される原燃料を霧状にして改質器２２内部に噴射する。改質器２２に供給された原燃料は蒸気化された後に改質反応の作用を受けて水素リッチな燃料ガスに改質される。原燃料を燃料ガスに改質するための改質反応として、改質効率に優れた水蒸気改質（Ｓｔｅａｍ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）と、始動性に優れた部分酸化改質（Ｐａｒｔｉａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）と、両者を組み合わせたオートサーマル改質（Ａｕｔｏ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）などがある。メタノールを銅−亜鉛系触媒などの改質触媒に接触させて水蒸気改質を行うと、下記の（１）式に示すメタノール分解反応と、（２）式に示す一酸化炭素のシフト反応とが同時に進行し、全体として（３）式に示す改質反応が生じる。
【００１５】
ＣＨ３ＯＨ  →  ＣＯ＋２Ｈ２−９０．０ｋＪ／ｍｏｌ  …（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２＋４０．５ｋＪ／ｍｏｌ  …（２）
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋３Ｈ２−４９．５ｋＪ／ｍｏｌ  …（３）
【００１６】
改質器２２で生成された燃料ガスはＣＯ成分が除去された上で、燃料ガス流路３４を経由して燃料電池２３の燃料極に供給される。これと同時に、エアコンプレッサ１２からは、加圧された酸化ガスが酸化ガス流路３１を経由して燃料電池２３の空気極に供給される。燃料電池２３の燃料極では（４）式の酸化反応が生じるとともに、空気極では（５）式の還元反応が生じる。燃料電池２３全体としては（６）式の起電反応が生じる。燃料電池２０への燃料ガスと酸化ガスの供給量は、圧力調整弁１４，２６の開度を調整することにより行われる。電池反応に供した酸化ガスと燃料ガスはそれぞれ酸素オフガス、水素オフガスとなって燃料電池２３から排出される。
【００１７】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−  …（４）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ  …（５）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  …（６）
【００１８】
燃料電池２３としては、固体高分子電解質型燃料電池、アルカリ性電解質型燃料電池、酸性電解質型燃料電池、溶融塩電解質型燃料電池、固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池などを用いることができるが、この中でも固体高分子電解質型の燃料電池が望ましい。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。
【００１９】
制御部４０は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム及び各種データを記憶したＲＯＭ４１と、ＲＯＭ４１に格納されたプログラムを読み取ってこれを実行するＣＰＵ４２と、ＣＰＵ４２のワークメモリとして機能するＲＡＭ４３と、圧力センサ２５、アクセル開度センサ６１、車速センサ６２などの各種センサ信号を入力し、これらのセンサ信号に基づいてモータ１３、インジェクタ２１、圧力調整弁１４，２６などの補機類の駆動制御を行うための信号を出力する入出力ポート４４を備えて構成されている。
【００２０】
制御部４０は、アクセル開度センサ６１、車速センサ６２が出力するアクセル開度信号、車速信号などから要求負荷を算出し、燃料電池２３に要求される発電量を得るために、エアコンプレッサ１２を駆動するためのモータ１３の回転数を制御するとともに、インジェクタ２１の噴霧量や、圧力調整弁１４，２６の開度を調整することで、改質器２２に投入される原燃料量と、燃料電池２３に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の流量を調整している。また、上述したように、制御部４０は圧力センサ２５のセンサ信号を取得することにより、サージタンク１５の内圧が略一定となるように圧力調整を行っている。
【００２１】
本実施形態によれば、原燃料を改質器に供給するための吐出ポンプとして、エア駆動式ポンプ１８を採用することにより、吐出ポンプの体格を小サイズにしつつ、軽量化を図ることができる。燃料電池電気自動車に搭載される補機類は、できるだけ省スペースかつ軽量のものが要求されるため、エア駆動式ポンプ１８は原燃料吐出ポンプとして好適である。さらに、エア駆動式ポンプ１８を駆動するには電力を消費しないため、低消費電力化を図ることができる。
【００２２】
また、燃料電池２３に酸化ガスを供給するためのエアコンプレッサ１２からエア駆動式ポンプ１８に作動エアを供給する構成であるため、エア駆動式ポンプ１８を駆動するための専用のエアコンプレッサを設ける必要がなく、部品点数の削減、軽量化、低コスト化を実現できる。
【００２３】
尚、上述の説明においては、作動エア圧を計測する手段として、圧力センサ２５を用いる例を説明したが、これに限らず、例えば、作動エアの生成源となるエアコンプレッサ１２の回転数から作動エア圧を推定するエア圧推定手段を用いてもよい。この他に、作動エア流路３２にＰＷＭ制御式の制御弁（図示せず）を設置し、この制御弁のデューティ値などから作動エア圧を推定してもよい。また、上述の説明においては、作動エア圧を基にエアコンプレッサ１２の回転数をフィードバック制御することにより、作動エア圧が略一定となるように圧力調整を行う例を説明したが、これに限らず、例えば、作動エア流路３２にＰＷＭ制御式の制御弁（図示せず）を設置し、作動エア圧が略一定となるように制御弁のデューティ値を調整してもよい。後述する第２実施形態においても同様である。
【００２４】
［発明の実施形態２］
以下、図２を参照して本発明の好適な第２実施形態について説明する。
同図において、図１と同一符号の機器類等は同一のものを示すものとし、その詳細な説明は省略する。上述の第１実施形態においては、メタノールと水の混合溶液を原燃料タンク２４に貯溜し、これをエア駆動式ポンプ１８で汲み上げて原燃料供給路５０に供給する構成としたが、本実施形態においては、メタノールなどの炭化水素系液体原燃料と、改質反応用の水をそれぞれ別体の原燃料タンク２４−１と水タンク２４−２に貯溜し、それぞれを第１エア駆動式ポンプ１８−１と第２エア駆動式ポンプ１８−２で汲み取り、原燃料供給路５０−１と水供給路５０−２のそれぞれに供給する。
【００２５】
より詳細には、サージタンク１５には、エアフィルタ１６を介して第１作動エア流路３３−１と、第２作動エア流路３３−２とが接続しており、サージタンク１５に蓄えられた作動エアが第１エア駆動式ポンプ１８−１と、第２エア駆動式ポンプ１８−２のそれぞれに供給される。第１作動エア流路３３−１と第２作動エア流路３３−２にはそれぞれ第１レギュレータ１７−１と第２レギュレータ１７−２が配設されており、作動エア圧を一定値に調整している。原燃料タンク２４−１に貯溜されている原燃料は第１エア駆動式ポンプ１８−１によって吸引され、原燃料供給路５０−１に供給される。原燃料供給路５０−１には脈取りをするための第１ダンパ１９−１と、原燃料圧を一定に調整するための第１レギュレータ２０−１とが配設されており、原燃料の圧力が一定に保持された状態で原燃料噴射用インジェクタ２１−１に原燃料が供給される。
【００２６】
一方、水タンク２４−２に貯溜されている水は第２エア駆動式ポンプ１８−２によって吸引され、水供給路５０−２に供給される。水供給路５０−２には脈取りをするための第２ダンパ１９−２と、水圧を一定に調整するための第２レギュレータ２０−２とが配設されており、水圧が一定に保持された状態で水噴射用インジェクタ２１−２に水が供給される。原燃料噴射用インジェクタ２０−１から改質器２２へ噴霧される原燃料量と、水噴射用インジェクタ２０−２から改質器２２へ噴霧される水量は、燃料電池２３の運転状態や要求負荷などに応じて、制御部４０によって適宜制御される。
【００２７】
本実施形態によれば、原燃料と水をそれぞれ別系統で改質器２２に供給することにより、原燃料量と水量の比率を燃料電池２３の運転状態に応じて好適な値に調整することができるため、改質効率を高めることができる。また、原燃料と水のそれぞれを改質器２２に供給するための吐出ポンプとして、エア駆動式ポンプを採用することにより、吐出ポンプの小サイズ化、軽量化、及び低消費電力化を実現することが可能であり、燃料電池電気自動車に搭載される補機類として好適である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、改質器に原燃料を供給するための吐出ポンプとしてエア駆動式ポンプを採用することにより、小サイズ及び軽量化を図ることができる。さらに、吐出ポンプを駆動するための電力を要しないため、燃料電池電気自動車に搭載される補機類として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
１２…エアコンプレッサ  １３…モータ  １５…サージタンク  １８…エア駆動式ポンプ  ２２…改質器  ２３…燃料電池  ２４…原燃料タンク
【図１】
2004342479.tif 000003
【図２】
2004342479.tif 000004