(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスまたは酸化剤ガスを高圧で貯蔵する高圧ガス貯蔵装置と、前記高圧の燃料ガスまたは酸化剤ガスを減圧して燃料電池スタックへ供給する減圧手段と、前記高圧ガス貯蔵装置と前記電池スタック間との燃料供給管または酸化剤供給管に、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れによって作動するタービンと、該タービンの軸回転運動によって駆動されて流体を加圧または送出する圧縮機またはポンプと、前記圧縮機またはポンプを駆動する駆動モータと、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記タービンと前記圧縮機またはポンプとの間に、軸回転力の伝達割合を変化可能な第１の継手を備え、
前記圧縮機またはポンプと前記駆動モータの間に、軸回転力の伝達割合を変化可能な第２の継手を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧縮機またはポンプが必要とする駆動力より前記タービンが供給する駆動力が大きい場合、前記駆動モータを発電機として動作させて、余剰の駆動力を回収する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】
前記圧縮機またはポンプによって加圧または送出される流体として、前記電池スタックのガス排気口から排出される余剰の燃料ガス、あるいは酸化剤ガスを利用し、前記圧縮機またはポンプによって前記電池スタックのガス供給口に再循環させることが可能な構成を備えてい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。
【請求項４】
前記タービンのガス出口直後に熱交換器を設置し、前記タービン通過後のガスと他の流体との間で熱交換を行うことが可能な構成を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に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、特に高圧ガスの膨張エネルギーをタービンの回転として取り出す燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスとして高圧水素ガスを貯蔵し、この高圧水素ガスの膨張エネルギーでタービン発電機を駆動する燃料電池システムが特開２００１−１９７７９１号公報に開示されている。この従来技術によれば、燃料としての水素を高圧で貯蔵する水素貯蔵装置から供給される高圧水素ガスによって駆動されるタービン発電機と、タービン発電機から放出された高圧水素を減圧する減圧弁と、減圧された水素を燃料として発電する燃料電池と、タービン発電機または燃料電池の発電電力を蓄電する二次電池と、を備えている。この構成により、高圧水素の持つ圧力のエネルギを有効利用して、燃料電池システム全体の発電効率を向上させることを目標としたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにあっては、次のような問題点があった。
【０００４】
燃料電池システムにおいては、多種の流体を循環あるいは加圧するポンプ・圧縮機を有し、これらは通常モータで駆動されている。上述の従来の燃料電池システムでは燃料ガスの減圧時の圧力降下のエネルギを、タービン発電機にて電力に変換するのでこの電力を用いてポンプ・圧縮機を駆動することができる。
【０００５】
しかしこの場合は、エネルギの形態が運動エネルギ→電気エネルギ→運動エネルギと二度変換することになり、その変換過程におけるエネルギの損失が避けられないため、システム全体のエネルギ効率向上のための障害となる可能性がある。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点を鑑み、エネルギ形態の変換回数を最小としつつ、燃料電池システム内の他の機器にてそのエネルギを利用することができ、変換によるエネルギ損失を最小化することにより、システム全体のエネルギ利用効率を最大限まで高めることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、燃料ガスまたは酸化剤ガスを高圧で貯蔵する高圧ガス貯蔵装置と、前記高圧の燃料ガスまたは酸化剤ガスを減圧して燃料電池スタックへ供給する減圧手段と、前記高圧ガス貯蔵装置と前記電池スタック間との燃料供給管または酸化剤供給管に、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れによって作動するタービンと、該タービンの軸回転運動によって駆動されて流体を加圧または送出する圧縮機またはポンプと、前記圧縮機またはポンプを駆動する駆動モータと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記タービンと前記圧縮機またはポンプとの間に、軸回転力の伝達割合を変化可能な第１の継手を備え、前記圧縮機またはポンプと前記駆動モータの間に、軸回転力の伝達割合を変化可能な第２の継手を備えたことを要旨とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記圧縮機またはポンプが必要とする駆動力より前記タービンが供給する駆動力が大きい場合、前記駆動モータを発電機として動作させて、余剰の駆動力を回収することを要旨とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、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、前記圧縮機またはポンプによって加圧または送出される流体として、前記電池スタックのガス排気口から排出される余剰の燃料ガス、あるいは酸化剤ガスを利用し、前記圧縮機またはポンプによって前記電池スタックのガス供給口に再循環させることが可能な構成を備えていることを要旨とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記タービンのガス出口直後に熱交換器を設置し、前記タービン通過後のガスと他の流体との間で熱交換を行うことが可能な構成を備えていることを要旨とする。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、高圧の燃料ガスまたは酸化剤ガスの減圧時の圧力降下により発生した高速ガス流のエネルギを、タービンで受けて軸回転の運動エネルギに変換したのち、電気などの他のエネルギ形態を通過することなく直接圧縮機またはポンプの軸回転運動のエネルギとして利用することが可能となる。
【００１４】
これによりエネルギ形態の変換回数を最小としつつ、燃料電池システム内の他の機器にてそのエネルギを利用することができ、変換によるエネルギ損失を最小化することにより、システム全体のエネルギ利用効率を最大限まで高めることができるという効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
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８は、本発明が適用される固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単位セル電池の構成を説明する模式断面図である。図８において、イオン導電性を有する固体高分子膜１２８の両面にアノード電極１２９及びカソード電極１３０が形成されている。アノード電極１２９に燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス供給溝１３１、カソード電極１３０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１３２、それぞれの供給溝の外側には導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ１３３，カソードセパレータ１３４、アノードセパレータ１３３のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ１３５、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、燃料電池スタック温度を適正に保つためのスタック冷却水を流す冷却水供給溝１３６が配設されており、１２８〜１３６によって単位セル電池１３７が構成されている。
【００１６】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池においては、アノード電極１２９に燃料ガスを、カソード電極１３０に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単位セル電池の一対の電極間で電気化学反応により、以下の式（１）、（２）の示すように起電力が生じる。
【００１７】
【化１】
アノード反応：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-                  …（１）
カソード反応：２Ｈ+ ＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→２Ｈ2 Ｏ  …（２）
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素が使用され、酸化剤ガスとしては空気が使用されるが、まず、アノード電極１２９に水素、カソード電極１３０に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極１２９では、供給された水素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜１２８を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極１３０に移動する。
【００１８】
一方、カソード電極１３０においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極１２９とカソード電極１３０においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は未反応ガスと共に電池外に排出される。
【００１９】
ところで、単位セル電池１３７の起電力は約１Ｖ程度と低いため、通常の実用型燃料電池システムは、数十〜数百枚の単位セル１３７を積層した燃料電池スタックを有し、この燃料電池スタックによる発電を行っている。
【００２０】
以上のような固体高分子電解質型燃料電池に使用されるイオン導電性を有する固体高分子膜１２８としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸（ＮａｆｉｏｎR ：米国デュポン社、登録商標）が知られている。
【００２１】
この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能すると共に、燃料と酸化剤を分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤が混合するクロスオーバーが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜は飽和含水としておくことが望ましい。
【００２２】
また、特に自動車等の移動体に適用するときには、燃料充填一回あたりの運転時間を長く確保するために、燃料を高密度で貯蔵することが求められ、高圧の水素貯蔵タンクを用いる。
【００２３】
その一方、燃料電池の作動に適切な圧力は、タンクでの貯蔵圧力に比べてかなり低いため、高圧の燃料ガスは減圧弁を通過させて、膨張、圧力降下させてから燃料電池スタックに供給され、発電に利用される。
【００２４】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態の構成を示す概略図である。なお本実施形態では燃料ガス側のみが高圧のタイプであり、酸化剤ガスの供給経路の構成については図示を省略している。
【００２５】
図１において、燃料電池システムは、燃料ガスを高圧で貯蔵する高圧燃料ガスタンク１と、高圧燃料ガスの流れによって作動する高圧ガス膨張タービン２と、高圧ガス膨張タービン２の軸回転運動によって駆動されて流体を送出する循環ポンプ３と、高圧ガス膨張タービン２を通過した燃料ガスを減圧する減圧弁（圧力レギュレータ）４と、減圧弁４で減圧された燃料ガスが供給される燃料電池スタック５と、循環ポンプ３により循環させられる流体を利用する循環流体利用機器６と、高圧燃料ガスタンク１から高圧燃料ガスを高圧ガス膨張タービン２へ供給する高圧燃料ガス配管７ａと、高圧ガス膨張タービン２から排出される中圧燃料ガスを減圧弁４に供給する中圧燃料ガス配管７ｂと、減圧弁４で減圧された低圧燃料ガスを燃料電池スタック５に供給する低圧燃料ガス配管７ｃと、循環ポンプ３と循環流体利用機器６とを接続する循環流体配管８とを備えている。
【００２６】
次に、上記構成による本実施形態の動作を説明する。高圧燃料ガスタンク１内に貯蔵されている燃料ガスは、高圧燃料ガス配管７ａを通って高圧ガス膨張タービン２に至り、ガス流の運動エネルギを高圧ガス膨張タービン２の軸回転運動として取り出す。タービン２を通過して膨張減圧された燃料ガスは、中圧燃料ガス配管７ｂを通って減圧弁４に到達し、その後低圧燃料ガス配管７ｃを通って燃料電池スタック５に供給され、電気化学的反応により燃料ガスの持つ化学結合のエネルギが電気エネルギに変換される。電気化学的反応に携わらなかった余剰の燃料ガスは燃料電池スタック５の排気口より排出される。
【００２７】
一方高圧ガス膨張タービン２で取り出された軸回転運動は、同軸の循環ポンプ３を回転させ循環流体を圧送し、循環流体配管８で連結された循環流体利用機器６に供給され、そこで流体の運動エネルギや圧力を利用してなんらかの仕事をさせた後、流体はふたたび循環ポンプ３に戻されるようになっている。
【００２８】
なお、上記の循環流体に関して燃料電池システムで利用しているものとしては、燃料ガスまたは酸化剤ガス用の加湿用の水、燃料電池スタックの冷却水、補機類の冷却水、ラジエターの冷却風、エアコン用のファン風、などの流体が例として挙げられ、これらは従来モータ電動機が駆動するポンプによって循環されていた。
【００２９】
上述の図１の構成であれば、高圧ガス膨張タービン２の軸回転運動を循環ポンプ３の軸回転運動として直後利用することができるため、従来技術のような運動エネルギ→電気エネルギ間のエネルギ形態変換による損失が発生しないので、結果として燃料電池システムの総合的なエネルギ利用効率を高めることを可能とする。
【００３０】
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態を示す構成概略図である。
【００３１】
本実施形態と第一実施形態との相違は、高圧ガス膨張タービン２と循環ポンプ３を接続する回転軸の延長上に循環ポンプ駆動用モータ９があり、高圧ガス膨張タービン２と循環ポンプ３の間の回転軸上にタービン／ポンプ間クラッチ継手１０を、モータ９と循環ポンプ３の間の回転軸上にモータ／ポンプ間クラッチ継手１１を配置する構成となっており、上記以外は前述の第一実施形態と同様であり、同一構成要素には同一符号を付与して重複する説明を省略する。
【００３２】
この構成であれば、循環ポンプ３の回転数を、タービン側クラッチ継手１０の面圧調整による動力伝達率変化により、高圧ガス膨張タービン２の回転数に対して独立に設定することができ、また高圧ガス膨張タービン２で得られた軸回転動力が循環ポンプ３の要求動力以下しかない場合にも、モータ９を作動させてモータ側クラッチ継手１１で軸動力を伝達することで、循環ポンプ３の要求回転数を保つことができ、つまり循環ポンプ３によって圧送される流体の圧力や流量を自由に設定することが可能となる。
【００３３】
これにより、循環流体利用機器６を高圧ガス膨張タービン２の回転数に依存することなく常に最適な状態で稼働させることができるため、燃料電池システム全体の運転性、安定度がさらに向上することになる。
【００３４】
また逆に、高圧ガス膨張タービン２で発生する回転駆動力が、循環ポンプ３で要求される回転駆動力を上回りエネルギ過剰となった場合には、二つのクラッチ軸継手１０，１１での伝達割合を最大として、かつモータ９を発電機として利用することにより過剰分を電気エネルギとして回収することが可能であり、これをバッテリ等に蓄電することによりエネルギを無駄にすることがなくなり、その結果として燃料電池システム全体のエネルギ利用効率がさらに高まるという利点も有する。
【００３５】
図３は、本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態を示す構成概略図である。
【００３６】
本実施形態と第二実施形態との相違は、高圧燃料ガスタンク１の内圧を検出する高圧燃料ガスタンク内圧センサ１２があり、このセンサ１２からのタンク内圧信号および燃料電池システムの各運転状態信号数値をコントロールユニット１３に取り込み、内部でソフトウエア的に演算された制御出力信号をモータ９、クラッチ軸継手１０，１１、減圧弁（圧力レギュレータ）４等に送信して各部を統合制御する構成となっており、上記以外は前述の第二実施形態と同様であり、同一構成要素には同一符号を付与して重複する説明を省略する。
【００３７】
図４は、本第三実施形態における循環ポンプ３の回転数を制御するためにコントロールユニット１３が実行する制御フローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明してゆく。
【００３８】
ステップＳ１１で燃料電池システムの各部からの運転状態を示す各信号、高圧燃料ガスタンク内圧センサ１２の信号を読み込み、ステップＳ１２で循環ポンプ３に要求される回転数が演算により決定される。ステップＳ１３に移って現在の循環ポンプ３の回転数と要求回転数が比較され、既に等しい場合は回転数制御は終了、異なる値となっている場合には次のステップＳ１４に進んでタービン／ポンプ間クラッチ継手１０の面圧増減を行う。
【００３９】
ステップＳ１５で再び回転数の現在値と要求値の比較を行い、等しくなったら制御は終了する。等しくない場合は次のステップＳ１６でクラッチ継手１０がフリー（伝達トルクゼロ）になっているかどうかが判定される。フリーでない場合は、ステップＳ１７において今度はクラッチ継手１０が直結（伝達トルク１００％）になっているかどうかの判定がなされる。直結になっていないと判定された場合には、まだクラッチ継手１０の面圧調整によるポンプ回転数制御範囲が残っているので、ステップＳ１４に戻って再び面圧増減を行う。
【００４０】
ステップＳ１６でクラッチがフリーになったと判定された場合と、ステップＳ１７でクラッチが直結状態になったと判定された場合には、もはやクラッチ継手１０の面圧増減によって可能なポンプ回転数制御範囲を超えたと判断されて、次のステップＳ１８に移る。
【００４１】
ステップＳ１８では回転数の現在値が要求値より大きいかを判定し、大きい場合にはその回転数の超過分をエネルギとして回収可能であるので、ステップＳ２１でポンプ駆動用モータ９を発電機として使うべく発電モードに切り替え、モータ９で発電した余剰電力をバッテリ等に充電し始める。
【００４２】
次にステップＳ２２でモータ９へより多くのエネルギを吸収させるために、モータ／ポンプ間クラッチ継手１１の面圧を増加させる。ステップＳ２３にてポンプ回転数の現在値と要求値が比較され、まだ差がある場合には更なるクラッチ面圧増加が必要と判定されて、ステップＳ２２に戻る。
【００４３】
またステップＳ１８で回転数の現在値が要求値に対して等しいかそれ以下となっていた場合には、ステップＳ１９にて今度は現在値が要求値に対して下回っているか、等しいかを判定する。等しくなった場合には制御は終了となるが、現在値の方が低いと判定された時には、要求される回転数まで上昇させるために追加のポンプ駆動力が必要となっているので、ステップＳ３１に進んでポンプ駆動用モータ９に通電を行い回転を開始する。
【００４４】
次にステップＳ３２でモータ９からポンプ３へ伝達駆動力をより大きくすべくモータ／ポンプ間クラッチ継手１１の面圧を増加させる。ステップＳ３３にてポンプ回転数の現在値と要求値が比較され、まだ差がある場合には更なるクラッチ面圧増加が必要と判定されて、ステップＳ３２に戻る。
【００４５】
ステップＳ２３、またはステップＳ３３にて現在のポンプ回転数が要求値と等しくなったら、もはやモータ９による回転数制御は不要であるので、ステップＳ２４にてモータ／ポンプ間クラッチ継手をフリー（面圧ゼロ）にして制御を終了する。
【００４６】
上述の構成と制御方法であれば、燃料電池システムがどのような運転状態にあっても、さらに高圧燃料ガスタンク内圧がどのような圧力条件であっても、ポンプ３の回転数を常に最適な値を維持することができるようになるため、燃料電池システム全体でのエネルギ利用効率がさらに一層高まることが期待できる。
【００４７】
図５は、本発明に係る燃料電池システムの第四実施形態を示す構成概略図である。
【００４８】
本実施形態と第三実施形態との相違は、高圧ガス膨張タービン２の出口側近くに熱交換器１４を設け、この熱交換器１４によって高圧ガス膨張タービン２通過直後の燃料ガスと低温流体配管１５を流れる熱媒流体との間で熱交換が可能となっている。熱を受け取った熱媒流体は低温流体循環ポンプ１７によって低温流体配管１５中を循環し、その途中にある低温流体利用機器１６にて流体の冷熱が利用される。上記以外は前述の第三実施形態と同じである。
【００４９】
この構成であれば、高圧の燃料ガスがタービン２を通過してほぼ断熱的に膨張、圧力降下するときに、ジュール・トムソン効果により低温になった燃料ガスの冷熱を回収して燃料電池システム内の冷熱利用機器あるいは装置冷却に有効利用することができるため、従来必要だった冷却装置用動力の省力化、あるいはゼロ化が可能となり、これらは燃料電池システム全体の熱マネージメントの効率向上をもたらし、エネルギ利用効率をさらに高める効果が期待される。
【００５０】
図６は、第四実施形態の変形例を説明する構成概略図である。図５の第四実施形態との相違は、低温流体配管１５，低温流体利用機器１６，低温流体循環ポンプ１７を備えず、中圧燃料ガスと循環ポンプ３により圧送される流体との間で熱交換器１４により熱交換するようにしている。
【００５１】
図７は、本発明に係る燃料電池システムの第五実施形態を示す構成概略図である。
【００５２】
本実施形態では、燃料電池スタック５を通過した余剰の燃料ガスを燃料ガス再循環配管１９からポンプ３の吸入口に導き、加圧して燃料電池スタック５の燃料ガス供給口に再び戻す構成をしており、その途中に一方向弁２０を配置することでポンプ吐出側に燃料ガスが逆流しないようになっている。また燃料電池スタック５の排気口下流には、燃料ガスをシステム外に放出することで燃料電池スタック５内のガス通路のパージ作用を促進する燃料ガスパージ弁１８が設置されており、上記以外は前述の第三実施形態と同じである。
【００５３】
この構成であれば、燃料電池スタック５で電気エネルギに変換されることなく通過してガス排気口側に流出してきた燃料ガスの大部分を、システム外に捨てることなく燃料電池スタック５にて発電用として再利用できるため、パージ弁１８を開いて燃料ガスを無駄に放出する頻度を極力抑えることが可能となるため、燃料電池システムの燃料消費率が大幅に改善される。
【００５４】
また、燃料電池スタック５は内部の燃料ガスの微細な通路が、電気化学的反応をすることで発生する水によって塞がれてしまって、各セルでの起電力が低下するのを防止する目的で、従来は間欠的にパージ弁１８を開き、燃料電池スタック５内の微細通路の通過ガス流速を高くして通路内の滞留水を吹き飛ばす動作をしていたのに対し、この図７の構成であれば、他に新たな動力源を用意することなくガスの再循環による微細通路を通過するガス量を増加することで上述の水飛ばし効果がほぼ連続的に得られるので、燃料電池スタック５による発電量が安定化し、燃料電池システムの運転性が向上するという効果がある。
【００５５】
なお上記各実施形態は、燃料ガスを高圧で貯蔵するシステムで、燃料供給間に、燃料ガスの流れによって作動するタービンを設けた例を紹介したが、本発明はこれに限らず、酸化剤ガスを高圧で貯蔵する装置、酸化剤ガスを減圧させる減圧手段を備えた燃料電池システムに用いることも出来る。その場合には、酸化剤ガスを高圧で貯蔵する装置と燃料電池スタック間の酸化剤供給管に、酸化剤ガスの流れによって作動するタービンを設け、タービンの軸回転運動によって駆動されて流体を加圧または送出する圧縮機またはポンプを設けると良い。
【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一実施形態の構成を示す概略図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態の構成を示す概略図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態の構成を示す概略図である。
【図４】第三実施形態における循環ポンプ回転数制御を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第四実施形態の構成を示す概略図である。
【図６】第四実施形態の変形例を説明する構成概略図である。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第五実施形態の構成を示す概略図である。
【図８】本発明が適用される固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単位セル電池の構成を説明する模式断面図である。
【符号の説明】
１…高圧燃料ガスタンク
２…高圧ガス膨張タービン
３…循環ポンプ
４…減圧弁
５…燃料電池スタック
６…循環流体利用機器
７ａ…高圧燃料ガス配管
７ｂ…中圧燃料ガス配管
７ｃ…低圧燃料ガス配管
８…循環流体配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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