(57)【要約】【課題】  燃料電池のカソード極の圧力制御を高い精度で行いながら、排気ガスのエネルギーによる効率的な発電を実現した燃料電池システムを提供する。【解決手段】  エネルギー回生システム５０は、カソードオフガス排出路３２に設置されたタービン発電機５１と、タービン発電機５１の発電量を制御する発電コントローラ５４とを有している。タービン発電機５１は、カソードオフガスにより駆動されるタービン５２と、タービン５２と同軸の発電機５３とから構成されている。また、発電コントローラ５４は、整流手段や励磁電流制御手段から構成されており、発電機５３が発生した交流電力を直流電力に変換するとともに、制御装置６０からの指令に基づき発電機５３の電気負荷（発電量）を増減する。発電コントローラ５４で生成された直流電力は、車載バッテリ７０に蓄えられた後、車載バッテリ７０から空気供給システム３０の電動コンプレッサ等に供給される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排気ガスが導入される排気ガス通路と、
前記排気ガス通路に設けられ、前記排気ガスのエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記カソード極の背圧を制御すべく、前記エネルギー変換手段の電気負荷を増減する背圧制御手段を更に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３】
前記エネルギー変換手段がタービン発電機であることを特徴とする、請求項１または請求項２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、燃料電池のカソード極の圧力制御を高い精度で行いながら、排気ガスのエネルギーによる効率的な発電を実現した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の観点から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ2）と空気中の酸素（Ｏ2）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。
【０００３】
燃料電池システムでは、高圧水素タンクからの水素（アノードガス）が減圧された後に水素供給ラインを介してアノード極に供給される一方、電動コンプレッサにより加圧された空気（カソードガス）が空気供給ラインを介してカソード極に供給される。アノード極からは燃料電池で消費されなかった水素（アノードオフガス）が排気ガスとしてアノードオフガス排出路を介して排出され、カソード極からは反応後の空気（カソードオフガス）が排気ガスとしてカソードオフガス排出路を介して排出される。通常、カソードオフガス排出路には電動式の背圧制御弁が設けられており、この背圧制御弁の弁開度を調整することによってカソード極の背圧が制御される。
【０００４】
従来、燃料電池の排気ガスは排出路から希釈装置等を経由して大気中に放出されていたが、本出願人は、排気ガスのエネルギーを有効利用すべく、排気ガスの排出経路にＶＧ（Variable Geometry：可変容量）型のターボチャージャを備えた燃料電池システム（特許文献１参照）を過去に提案した。特許文献１の燃料電池システムでは、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼器で燃焼させ、その燃焼ガスによりターボチャージャのタービンを回転駆動し、タービンと同軸のコンプレッサによりカソードガスの圧縮を行う。また、特許文献１の燃料電池システムでは、タービンのハウジングに設けられたベーン（容量可変手段）の開度を調節することによりタービンのロータに衝突する燃焼排ガスの速度（すなわち、タービンの回転速度）が変化し、燃料電池へのカソードガスの供給量が制御される。そして、特許文献１の燃料電池システムにおいて、カソード極の背圧は、カソードオフガスの排出路に設けられた調圧弁（背圧制御弁）を開閉駆動することにより制御される。
【特許文献１】特開２０００−３１５５１０号公報（段落００１４，００１６、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の燃料電池システムでは、タービンとコンプレッサとが同軸であるため、カソード極の背圧をある値に設定した場合、コンプレッサによるカソードガスの送給量（吐出量）が一義的に定まってしまう。そのため、従来装置と同様にカソードオフガスの排出路に背圧制御弁を設ける必要がある他、燃料電池が要求するカソードガスの量が多くなる大量発電時には背圧制御弁を絞らなければならず、カソードオフガスのエネルギーの多くが廃棄されてしまう問題があった。また、ＶＧ型のターボチャージャは、通常のターボチャージャに較べて高価な装置であるため、燃料電池システムの製品コストが高くなる問題もあった。
【０００６】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、燃料電池のカソード極の圧力制御を高い精度で行いながら、排気ガスのエネルギーによる効率的な発電を実現した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】
前記課題を解決すべく、請求項１に記載の燃料電池システムは、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された排気ガスが導入される排気ガス通路と、前記排気ガス通路に設けられ、前記排気ガスのエネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換手段とを備えたことを特徴とする。
請求項１の燃料電池システムでは、燃料電池の排気ガスが有する運動エネルギーや燃焼エネルギーがエネルギー変換手段により電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーが例えば車載バッテリに一旦蓄えられた後、空気供給用の電気コンプレッサ等に供給される。
【０００８】
また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記カソード極の圧力を制御すべく、前記エネルギー変換手段の電気負荷を増減する背圧制御手段を更に備えたことを特徴とする。
請求項２の燃料電池システムでは、例えば、目標発電量等からカソード極の背圧を決定し、この背圧が得られるように、背圧制御手段がエネルギー変換手段の電気負荷を増減する。
【０００９】
また、請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記エネルギー変換手段がタービン発電機であることを特徴とする。
請求項３の燃料電池システムでは、燃料電池の排ガスや燃焼ガスによりタービン発電機のタービンが駆動され、タービンと同軸あるいは減速器を介して連結された発電機により発電が行われる。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の燃料電池システムによれば、エネルギー変換手段による排気ガスのエネルギーから電気エネルギーへの変換が燃料電池の要求するカソードガスの量に拘わらず行えるため、排気ガスが有するエネルギーの利用効率が向上する。また、請求項２の燃料電池システムによれば、カソード極の圧力とエネルギー変換手段の電気負荷との関係をマップや計算式として記憶しておくことで、圧力制御の精度や応答性を向上させることができる。また、請求項３の燃料電池システムによれば、比較的簡単な装置構成で高い発電効率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用した２つの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
≪第１実施形態≫
図１は第１実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図であり、図２は第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【００１２】
＜車両の構成＞
先ず、車両を説明する。図１に示す車両Ｖでは、ＦＣボックスＦＣＢが乗員席の床下に搭載され、ＦＣボックスＦＣＢの中には燃料電池１０（図２参照）が収納されている。また、走行モータＭが車両Ｖの前部に搭載され、高圧水素タンクＣＨＴが車両Ｖの後輪の上方に横置きで搭載されている。また、車両Ｖには、車体後部にタービン発電機５１が搭載されている。
【００１３】
燃料電池１０は空気中の酸素と高圧水素タンクＣＨＴから供給された水素とを電気化学的に反応させて発電し、発電された電力は走行モータＭに供給されて車両Ｖを走行させる。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質を挟んでアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば数十枚〜数百枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。ここで、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。
【００１４】
＜燃料電池システムの構成＞
次に、図２を参照して、燃料電池システムを説明する。第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０、水素供給システム２０、空気供給システム３０、冷却システム４０、エネルギー回生システム５０、および制御装置６０を含んで構成される。
【００１５】
燃料電池１０は、前記のようにアノード極１１、カソード極１２、および電解質１３を有するＰＥＭ型の燃料電池であり、アノード極１１に水素供給システム２０から燃料ガスである水素（アノードガス）が供給され、カソード極１２に空気供給システム３０から酸化剤ガスである空気（カソードガス）が供給されることにより発電する。燃料電池１０が発電した電力は、走行モータＭ（図１参照）や補機等の負荷に供給される。
【００１６】
水素供給システム２０は、燃料電池１０のアノード極１１にアノードガスとしての水素を供給するもので、図示しない高圧水素タンクや減圧弁等から構成されている。また、空気供給システム３０は、燃料電池１０にカソードガスとしての空気を供給するもので、図示しないエアクリーナや、加湿器、電動コンプレッサ等から構成されている。空気供給システム３０には、カソードガスの圧力を検出するカソード圧センサ３１が設置されている。また、冷却システム４０は、燃料電池１０が発電に伴って発生した熱を大気中に放出するもので、ラジエタやサーモスタット弁、水ポンプ等から構成されている。
【００１７】
エネルギー回生システム５０は、カソードオフガス排出路３２に設置されたタービン発電機（エネルギー変換手段）５１と、タービン発電機５１の発電量を制御する発電コントローラ（背圧制御手段）５４とを有している。タービン発電機５１は、カソードオフガスにより駆動されるタービン５２と、タービン５２と同軸の発電機（三相交流発電機）５３とから構成されている。また、発電コントローラ５４は、整流手段や励磁電流制御手段から構成されており、発電機５３が発生した交流電力を直流電力に変換するとともに、制御装置６０からの指令に基づき発電機５３の電気負荷（発電量）を増減する。発電コントローラ５４で生成された直流電力は、車載バッテリ７０に蓄えられた後、車載バッテリ７０から空気供給システム３０の電動コンプレッサ等に供給される。
【００１８】
＜第１実施形態の作用＞
燃料電池システムが起動すると、制御装置６０は、図示しないスロットルペダルの踏込み量θthや各種機器（灯火装置や空調装置等）の消費電力等に基づき燃料電池１０から取出し電流量を決定した後、その取出し電流量に応じたアノードガスとカソードガスとを燃料電池１０に供給すべく、水素供給システム２０と空気供給システム３０とを駆動制御する。これにより、燃料電池１０では、それぞれ所定量のアノードガスとカソードガスとが供給され、アノード極１１からカソード極１２への水素の移動に伴って電力が発生するとともに、アノード極１１から消費されなかった水素がアノードオフガスとして排出され、カソード極１２から反応後の空気がカソードオフガスとして排出される。
【００１９】
本実施形態の場合、カソードオフガスは、カソード極１２からカソードオフガス排出路３２に流入し、タービン発電機５１のタービン５２に導入される。タービン５２はカソードオフガスにより駆動されて回転し、発電機５３もタービン５２とともに回転して発電を開始する。発電機５３から出力された交流電力は、発電コントローラ５４の整流手段により直流に変換された後、車載バッテリ７０に蓄えられる。
【００２０】
制御装置６０は、燃料電池１０の発電状態等に基づいてカソード極１２の目標圧力を決定した後、この目標圧力を得るべくタービン発電機５１の電気負荷（発電量）を増減するとともに、カソード圧センサ３１が検出したカソードガスの実測圧力値を用いてフィードバック制御を行う。これにより、タービン発電機５１では、発電機５３と同軸のタービン５２の回転抵抗が増減し、カソード極１２の圧力を決定するカソードオフガスの排気抵抗（すなち、背圧）が変化する。ちなみに、タービン発電機５１では、発電機５３による発電量が増大すると、タービン５２の回転抵抗も増加し、カソード極１２の背圧が上昇する。尚、本実施形態の場合、カソード極１２の圧力とタービン発電機５１の電気負荷との関係はマップとして制御装置６０の記憶手段に記憶されており、制御装置６０は、目標圧力に対する電気負荷をこのマップから検索する。
【００２１】
本実施形態では、このような構成を採ったことにより、燃料電池１０が要求するカソードガスの量が多くなる大量発電時にもタービン発電機５１を比較的大きな電気負荷（発電量）をもって駆動でき、カソードオフガスの運動エネルギーを高い効率で利用できるようになった。また、高価なＶＧ型のターボチャージャに代えてタービン発電機５１を用いるようにしたため、背圧制御弁が不要になることも相俟って、燃料電池システムの製品コストを削減することができた。
【００２２】
≪第２実施形態≫
図３は第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。第２実施形態の燃料電池システムは、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼させる燃焼器を備え、この燃焼器で生成された燃焼ガスをタービン発電機に導入する点が前記の第１実施形態と異なっている。
【００２３】
図３に示すように、第２実施形態の燃料電池システムでは、エネルギー回生システム５０が、アノードオフガス排出路２１からのアノードオフガスとカソードオフガス排出路３２からのカソードオフガスが流入して燃焼される燃焼器８０を有し、燃焼器８０で生成された燃焼ガスを燃焼ガス流路８１を介してタービン発電機５１に導入する構成となっている。
【００２４】
第２実施形態においても、燃料電池システムの作動は前記の第１実施形態と略同様であるが、アノードオフガスとカソードオフガスとを燃焼器８０で燃焼させ、その燃焼ガスによりタービン発電機５１を駆動するため、排出する水素の量の低減が図られると同時に、アノードオフガスの化学的エネルギーの有効利用を図ることができた。
【００２５】
本発明は、前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、前記実施形態ではエネルギー変換手段としてタービンと発電機が同軸のタービン発電機を用いるようにしたが、タービンと発電機との間に減速機構が設けられたタービン発電機や、レシプロ機関やロータリー機関を駆動側要素とする発電機を採用するようにしてもよい。また、前記実施形態では燃料電池電気自動車を例に説明したが、船舶や定置発電装置用の燃料電池システム等に本発明を適用することができる。また、前記実施形態ではＰＥＭ型の燃料電池を備えた燃料電池システムを取り上げたが、本発明は、アルカリ型燃料電池やリン酸型燃料電池等、他種の燃料電池を備えた燃料電池システムにも当然に適用できる。また、燃料電池システムを構成する各機器のレイアウト等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。
【図３】第２実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０    燃料電池
１１    アノード極
１２    カソード極
３２    カソードオフガス排出路
５０    エネルギー回生システム
５１    タービン発電機（エネルギー変換手段）
５４    発電コントローラ（背圧制御手段）
６０    制御装置
８０    燃焼器
【図１】
2005310429.tif 000003
【図２】
2005310429.tif 000004
【図３】
2005310429.tif 000005