(57)【要約】【課題】燃料電池で使用されたガスのガス圧を有効利用する。【解決手段】燃料電池車１０に設けられた燃料電池１８には、酸素供給路１２を通じて、圧縮空気がカソードに供給されている。燃料電池１８は、供給された空気中の酸素を消費して発電を行うとともに、使用済みの空気を排気路２４から排出する。そして、排出された低酸素の排出ガスは、一旦圧力容器３０に蓄えられた後、必要に応じてエアサスペンション３４やタイヤ４０に供給される。低酸素の排出ガスを使用することで、エアサスペンション３４やタイヤ４０の酸化劣化が抑制され、長寿命化が図られる。【選択図】図１
2007164999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含むガスがカソードに供給され、酸素を消費して発電を行う燃料電池と、
カソードから排出される低酸素濃度の排出ガスを、ガス圧を使用する機器に供給する供給機構と、
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、
カソードに供給されるガスを大気圧よりも高圧化する高圧化機構を備え、
供給機構は、排出ガスの圧力を少なくとも大気圧よりも高く維持し、
前記機器は、少なくとも大気圧よりも圧力が高いガス圧を使用する、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
供給機構は、排出ガスを一時的に貯蔵するタンクを備える、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
供給機構は、排出ガスの酸素濃度に応じて、前記機器へのガス供給量を制御する制御機構を備える、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
カソードに供給されるガスは空気である、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムを搭載し、燃料電池が発電する電力によって駆動される燃料電池車であって、
前記機器は、当該燃料電池車に備えられ、その走行に用いられるタイヤ、ブレーキ、サスペンション、アクチュエータの少なくとも一つである、ことを特徴とする燃料電池車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池で用いられるガスについての技術、特に、燃料電池で使用された後のガスを利用する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、車載用燃料電池の空気供給システムであって、燃料電池に供給するために圧縮機により圧縮された空気を、多目的の圧力容器に貯蔵し、燃料電池以外の機器に供給するシステムが開示されている。また、この文献では、窒素量の多いガスをタイヤに供給するために、圧縮空気を酸素と窒素に分離する装置を導入する旨の記載もなされている。しかし、燃料電池で使用された空気を活用する技術は一切記載されていない。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１２３８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、空気等のガス（気体）を使用する機器の酸化による劣化を抑制することにある。
【０００５】
本発明の別の目的は、燃料電池で使用されたガスを活用する新たな燃料電池システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、酸素を含むガスがカソードに供給され、酸素を消費して発電を行う燃料電池と、カソードから排出される低酸素濃度の排出ガスを、ガス圧を使用する機器に供給する供給機構と、を備える。
【０００７】
燃料電池は、カソードとアノードと呼ばれる対となる電極を備え、各電極に供給されるガス（気体）の化学反応を利用して、電力を取り出す装置である。例えば、リン酸形燃料電池や固体高分子形燃料電池では、アノードに水素を含むガスが、カソードに酸素を含むガスが供給され、化学反応により水素と酸素から水が生成される過程で電力（電気エネルギ）が取り出される。
【０００８】
供給機構は、燃料電池から排出されるガスを、ガス圧を使用する機器に供給する機構である。供給機構は、典型的にはガスが流される流路を備え、必要に応じて、流れを分岐する流路、流れ方向や量を制御する弁、減圧または加圧を行う装置や弁、ガスを貯蔵するタンクなどを備えることもできる。
【０００９】
機器とは、機械、器具、装置などを指す用語である。機器は、電気回路あるいは可動部などを備えるものであってもよいし、備えないものであってもよい。さらに、機器は、単体で使用されるものであってもよいし、他機器の部品として用いられるものであってもよい。ガス圧を使用する機器とは、ガスの圧力を利用する機器をいう。ガスを使用する態様の例としては、圧力差を利用してガス流を発生させたり、そのガス流を利用して洗浄や冷却を行ったりする態様や、ガスを保持してその圧力応答性（弾力特性）を利用する態様などを挙げることができる。もちろん、ガスそのものがもつ流体特性、音響特性、断熱特性などを複合的に利用してもよい。
【００１０】
この構成によれば、ガス圧を使用する機器に対しては、カソードに供給されるガスに比べて、燃料電池での酸素消費分だけ酸素濃度の低下したガスが供給される。低酸素濃度のガスを機器に使用した場合には、大気中と同等の酸素濃度をもつガス（空気）を使用した場合に比べて、酸素の酸化作用による機器の劣化を抑制し、その寿命を延ばすことが可能となる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムの一態様においては、カソードに供給されるガスを大気圧よりも高圧化する高圧化機構を備え、供給機構は、排出ガスの圧力を少なくとも大気圧よりも高く維持し、前記機器は、少なくとも大気圧よりも圧力が高いガスを使用する。高圧化機構は、ガスを圧縮して、その圧力を高める。つまり、高圧化機構は、単なるファンのようにガス流を作ってガスを燃料電池に供給するものではなく、燃料電池内のガスを高圧化するものである。このため、燃料電池から排出される排出ガスも、少なくとも大気圧よりも高圧なものとなる。供給機構は、この排出ガスのガス圧を高圧化あるいは低圧化する機構を備えてもよいし備えていなくてもよいが、少なくとも、大気圧よりも高い圧力に保ち続ける。そして、前記機器は、少なくとも大気圧よりも圧力が高いガスを使用する。
【００１２】
この構成によれば、高圧化機構によって大気圧よりも高くされたガスの圧力を、高圧のガスを使用する機器において再利用することができる。したがって、システムの小型化や軽量化を図ることが可能となる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムの一態様においては、供給機構は、排出ガスを一時的に貯蔵するタンクを備える。タンク（貯蔵容器）を備えることにより、燃料電池の運転状況によらない所望のタイミングで、比較的多量の排出ガスを機器に供給することが可能となる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムの一態様においては、供給機構は、排出ガスの酸素濃度に応じて、前記機器へのガス供給量を制御する制御機構を備える。酸素濃度は、例えば、排出ガスの流路等に濃度センサを設けて取得してもよいし、燃料電池の運転状況を診断し、燃料電池における酸素消費量の見込みに基づいて推定するようにしてもよい。また、供給量は、例えば、供給機構の流路中に弁を設け、その開閉度を調整することで制御できる。制御は様々に行うことが可能であるが、機器の酸化を防止する観点からすれば、低酸素時にのみ、あるいは、低酸素時に大量に、機器に供給することが望ましいといえる。なお、排出ガスを貯蔵するタンクを備える場合は、低酸素時にのみ、あるいは低酸素時に大量にタンクに貯蔵すればよい。
【００１５】
本発明の燃料電池システムの一態様においては、カソードに供給されるガスは空気である。空気を利用する態様は、取り込み容易でありかつ安価に実現できる点で優れている。この場合、空気よりも酸素濃度が低下した排出ガスを機器に供給できるため、単純に空気を機器に供給する場合に比べ、酸化による機器の劣化を抑制することが可能となる。
【００１６】
本発明の燃料電池車は、上記燃料電池システムを搭載し、燃料電池が発電する電力によって駆動される燃料電池車であって、前記機器は、当該燃料電池車に備えられ、その走行に用いられるタイヤ、ブレーキ、サスペンション、アクチュエータの少なくとも一つである。タイヤに低酸素で高窒素のガスを使用した場合には、酸化抑制効果の他に、音響特性に基づく騒音低下効果も期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池車１０の構成を説明する概略図である。図においては、車両の運転に関連した機構や、燃料電池に対する水素ガスの供給経路などの一般的な構成は省略している。
【００１８】
燃料電池車１０には、酸素供給路１２が設けられており、酸素供給路１２の途上には、空気中のゴミを取り除くエアクリーナ１４と、空気を圧縮して高圧化（例えば１５０ｋＰａ程度）する圧縮機１６が設けられている。車両の外部から酸素供給路１２に取り込まれた空気は、圧縮機１６で圧縮されて、燃料電池１８のカソードに供給される。燃料電池１８では、カソードに供給された空気中の酸素と別途アノードに供給された水素ガスとを消費して水を生成するとともに、この化学結合過程において電力を取り出す。そして取り出された電力は、モータ２０に供給されて回転動力に変換され、前輪２２（や後輪）の駆動に用いられる。
【００１９】
燃料電池１８では、カソードで使用された空気（排出ガス）を排気路２４を通じて排出する。排気路２４は、分路２６，２８に分岐しており、排出ガスの流れは弁によって制御されている。分路２６は、排出ガスを車外に放出する流路であり、分路２８は、排出ガスを圧力容器３０に導く流路である。排出ガスの圧力は、圧縮機１６による圧縮の効果によって、高圧（例えば１５０ｋＰａ程度）に維持されている。このため、圧力容器３０に貯蔵される排出ガスも同様に高圧に保たれる。
【００２０】
圧力容器３０に貯蔵された排出ガスは、取り出し口から取り出され、分路３２を通じてエアサスペンション３４に注入される。また、分路３６を通じて、後輪３８等のタイヤ４０にも注入される。注入のタイミングや注入量は、例えば、エアサスペンション３４やタイヤ４０に設けられたセンサの診断結果に基づいて制御することができる。
【００２１】
排出ガスを誘導する排気路２４、分路２８、圧力容器３０及び分路３２，３６を含むガス流路系は、エアサスペンション３４やタイヤ４０などのガス圧使用部品（機器）に対する供給機構を構成している。そして、この供給機構は、高圧かつ低酸素濃度の排出ガスを排出する燃料電池１８とともに、高圧かつ低酸素濃度の排出ガスをガス圧使用部品に供給する燃料電池システムを構築している。
【００２２】
燃料電池車１０においては、この燃料電池システムを導入することにより、ガス圧使用部品の酸化劣化の抑制と長寿命化が可能となっている。また、タイヤ４０に適量のガスを供給することで、タイヤ圧の低下を防いで省燃費化を実現しているとともに、低酸素・高窒素の排出ガスの音響効果によるロードノイズの低減も可能としている。さらには、ガス圧使用部品に供給する高圧ガスを生成するための圧縮機１６は、燃料電池１８に空気を供給するためのものであり、システム全体の小型化かつ軽量化が可能となっている。
【００２３】
続いて、図２を用いて、図１に示したシステムの変形例について説明する。この構成は、図１と同様に燃料電池車での実施を念頭に置いたものであるが、説明の簡単のため燃料電池車に関する構成を一部省略している。
【００２４】
この態様において、エアクリーナ５０と圧縮機５２とが設けられた酸素供給路５４から燃料電池５６のカソードに圧縮空気が供給される構成は、図１の例と同様である。燃料電池５６で酸素が消費された圧縮空気（排出ガス）は、排気路５８から排出される。この排気路５８には、切替弁６０が設けられている。切替弁６０は、排気路５８からの排出ガスの送出先を、大気に排出するための大気排出分路６２と再利用するための分路６４との間で切り替える弁である。
【００２５】
分路６４の先には、水分離装置６６と水素分離装置６８が順次設けられている。水分離装置６６は、排出ガスに含まれる水分を取り除くための装置であり、水素分離装置６８は、カソードから漏れだした微量の水素を取り除くための装置である。水分と水素が分離された排出ガスは、一旦、圧力容器７０に蓄えられる。この蓄えられた排出ガスは、圧縮機５２の圧縮効果によって高圧に保たれている。
【００２６】
圧力容器７０の先には、第２の圧縮機７２が設けられている。圧縮機７２は、排出ガス圧力容器７０に蓄えられた高圧の排出ガスを一層高圧化するためのものであり、圧力不足を補い、また、大量の排出ガスを貯蔵することを可能にする。圧縮機７２により高圧化された排出ガスは圧力容器７４に貯蔵され、適当なタイミングで、タイヤに排出ガスを供給するためのタイヤ圧供給用分路７６、あるいは、エアサスペンションやエアブレーキなどのガス圧使用部品類に空気を供給する空気回路用分路７８に流される。なお、このタイヤ圧供給用分路７６や空気回路用分路７８には、必要に応じて減圧弁を設け、各機器に適当なレベルまで圧力を下げるようにしてもよい。
【００２７】
燃料電池５６には、燃料電池の運転状態を検出するための検出器８０が設けられている。制御装置８２は、検出器８０の検出結果を入力し、運転状態と酸素濃度との対応関係を記したルックアップテーブルに従って、排出ガスが低酸素濃度状態にあるか、高酸素濃度状態にあるかを判定する。そして、高酸素濃度と判定した場合には、切替弁６０を大気排出分路６２の側に切り替えて、排出ガスを大気中に放出する。他方、低酸素濃度と判定した場合には、切替弁６０を分路６４の側に切り替えて、排出ガスの再利用を図る。これにより、十分に低酸素な排出ガスだけを機器で使用することが可能となる。
【００２８】
なお、水分離装置６６、水素分離装置６８、圧力容器７０、圧縮機７２、圧力容器７４などは、必要に応じて設ければよく、このうちの一つまたは複数の構成を設置しなくとも十分に実用的なシステムを構築することができる。また、ここでは、燃料電池車での実施を例に挙げて説明を行ったが、燃料電池とガス使用機器とを備えたものであれば燃料電池車以外にも適用可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池車に搭載される燃料電池システムの一例を示す図である。
【図２】燃料電池システムの変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  燃料電池車、１２，５４  酸素供給路、１４，５０  エアクリーナ、１６，５２，７２  圧縮機、１８，５６  燃料電池、２０  モータ、２２  前輪、２４，５８  排気路、２６  分岐路、２６，２８，３２，３６，６４  分路、３０，７０，７４  圧力容器、３４  エアサスペンション、３８  後輪、４０  タイヤ、５０  エアクリーナ、６０  切替弁、６２  大気排出分路、６６  水分離装置、６８  水素分離装置、７６  タイヤ圧供給用分路、７８  空気回路用分路、８０  検出器、８２  制御装置。
【図１】
2007164999.tif 000003
【図２】
2007164999.tif 000004