(57)【要約】【課題】より実用的な燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システムは、水素ガスと空気との供給を受けて発電する燃料電池のスタック１と、スタック１に水素ガスを供給するための燃料供給流路１１と、スタック１から排出された未反応の水素ガスを燃料供給流路１１に合流させて水素ガスを循環させるための水素ポンプ６が配設された燃料循環流路１２、１９と、水素ガスを燃焼させて回転力を生じる回生機７とを備えている。水素ポンプ６は回生機７によって回転駆動されるように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池のスタックと、該スタックに該燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、該スタックから排出された未反応の該燃料ガスを該燃料供給流路に合流させて該燃料ガスを循環させるための燃料ポンプが配設された燃料循環流路と、該燃料ガスを燃焼させて回転力を生じる回生機とを備え、前記燃料ポンプは前記回生機によって回転駆動されるように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料供給流路には、前記燃料ガスを貯留する燃料タンクが配設され、かつ該燃料タンクから排出された該燃料ガスを前記回生機に供給するための回生燃料供給流路が分岐されている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料供給流路には、前記燃料ガスを貯留する燃料タンクが配設され、
前記燃料循環流路には、前記スタックから排出された前記燃料ガスを前記回生機に供給するための回生燃料供給流路が分岐されている請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記回生燃料供給流路には、前記燃料ガスを大気と混合する混合機が設けられている請求項２又は３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記回生機で生じた生成水を前記スタックに供給する給水流路が設けられている請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ポンプと前記回生機とは一体に構成されている請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記回生機には発電電動機が接続されている請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ポンプは前記発電電動機で駆動される請求項７記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に従来の燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池のスタックと、スタックに燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、スタックに酸化剤ガスを供給するエアコンプレッサとを備えている。
【０００３】
また、この燃料電池システムは、スタックから排出された未反応の酸化剤ガスを導くカソード排ガスラインと、スタックから排出された未反応の燃料ガスを導くアノード排ガスラインとが設けられており、カソード排ガスライン及びアノード排ガスラインには回生機が設けられている。なお、燃料ポンプとスタックとの間には燃料ガスを改質する改質器が設けられている。
【０００４】
この燃料電池システムでは、スタックから排出された未反応の燃料ガスをスタックから排出された未反応の酸化剤ガスによって回生機により燃焼させ、回生機で得られた回転力によってエアコンプレッサを回転駆動する。このため、この燃料電池システムでは、エアコンプレッサをモータによって回転駆動する必要がなく、消費電力を節減できるとともに、小型及び軽量化の効果も奏する。また、この燃料電池システムでは、燃料ガスの無駄な消費の回避という利点も発揮する。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３０７１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、燃料電池システムにおいては、実用の面から、より大きな消費電力の節減と、より効果的な小型及び軽量化とが求められている。上記従来の燃料電池システムでは、燃料ポンプ自体をモータによって回転駆動しなければならず、この点が十分でない。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、より実用的な燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池のスタックと、該スタックに該燃料ガスを供給するための燃料供給流路と、該スタックから排出された未反応の該燃料ガスを該燃料供給流路に合流させて該燃料ガスを循環させるための燃料ポンプが配設された燃料循環流路と、該燃料ガスを燃焼させて回転力を生じる回生機とを備え、前記燃料ポンプは前記回生機によって回転駆動されるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、スタックから排出された未反応の燃料ガスを燃料供給流路に合流させて燃料ガスを循環させるための燃料ポンプが配設された燃料循環流路を備え、燃料ガスを回生機で燃焼させ、回生機で得られた回転力によって燃料ポンプを回転駆動する。このため、この燃料電池システムでは、燃料ポンプをモータによって回転駆動する必要がない。このため、この燃料電池システムは、モータによって燃料ポンプを回転駆動する一般的な燃料電池システムと比べ、以下の利点がある。
【００１０】
（１）燃料ポンプを回生機だけで回転駆動するとしても、そのトルクを実現可能な回生機はモータよりも小さい。このため、燃料電池システムの小型及び軽量化を実現できる。
（２）燃料ガスとして多く採用されている水素ガスは分子量が小さく、配管等の接続部分に設けられるシールから漏れやすいが、燃料ポンプの回転駆動に電気を用いないことで、安全であり、絶縁性を低くすることが可能である。
（３）一般的にスタックは高い電位を有し、燃料ポンプを回転駆動するモータはより低い電圧で駆動される。燃料ポンプを回生機で回転駆動すれば、電位差によって燃料ポンプに腐食が生じることを回避することができる。また、燃料ポンプを回生機で回転駆動すれば、電位差によってラジオノイズが生じることを防止するためにスタックと燃料ポンプとを高い絶縁性に保つ必要性が減る。
（４）一般的に燃料ポンプは、低温環境下において、内部の水蒸気が凍結して起動し難くなるおそれがある。しかし、燃料ガスを回生機で燃焼して燃料ポンプを駆動する場合には、燃料ポンプは、燃焼時の熱によって暖機され、内部の水蒸気の凍結を回避して速やかな起動が可能になる。
【００１１】
したがって、本発明の燃料電池システムはより実用的なものとなっている。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料供給流路には、燃料ガスを貯留する燃料タンクが配設され、かつ燃料タンクから排出された燃料ガスを回生機に供給するための回生燃料供給流路が分岐されていることが好ましい。
【００１３】
スタックから排出された燃料ガスは、気液分離しきれない場合には、湿度が高い。上記従来の燃料電池システムは、スタックから排出された未反応の燃料ガスを燃焼させていることから、回生機での燃焼が不安定となるおそれがある。この点、燃料タンク内の湿度の低い燃料ガスを回生機で燃焼させれば、燃焼が不安定になり難く、燃料電池システムを安定して作動させることができる。
【００１４】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料供給流路には、燃料ガスを貯留する燃料タンクが配設され、燃料循環流路には、スタックから排出された燃料ガスを回生機に供給するための回生燃料供給流路が分岐されていることも好ましい。この場合、燃料タンクの存在下で、回生機によって燃料ポンプを回転駆動して燃料ガスを循環させるため、回生機での燃焼が不安定になったとしても、燃料タンクの存在によって燃料電池システムを安定して作動させることができる。また、燃料ガスの再利用によって無駄な消費を回避することができる。
【００１５】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、回生燃料供給流路には、燃料ガスを大気と混合する混合機が設けられていることが好ましい。混合機としては電子制御インジェクションを採用することが好ましい。これによって燃料ガスを回生機内で安定して燃焼させることができ、燃料電池システムの作動を安定させることができる。
【００１６】
さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、回生機で生じた生成水をスタックに供給する給水流路が設けられていることが好ましい。酸化剤ガスをスタックに供給する酸化剤ガス供給流路や燃料ガスをスタックに供給する燃料供給流路にこの給水流路を接続すれば、加湿器を不要にすることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、燃料ポンプと回生機とは一体に構成されていることが好ましい。この場合、回生機の熱が燃料ポンプに伝達しやすく、低温環境下での燃料ポンプの起動がより確実になる。また、燃料電池システムの構成を簡素化して製造コストの低廉化を実現できる。
【００１８】
回生機には発電電動機が接続されていることも可能である。回生機による燃料ポンプの駆動が困難な場合、発電電動機を電動機として機能させることによって回生機をアシストすることが可能である。また、回生機によって燃料ポンプの駆動を行いながら、発電電動機を発電機として機能させて蓄電池への充電を行うことも可能である。
【００１９】
燃料ポンプは発電電動機で駆動されることも可能である。発電電動機を電動機として機能させることによって、燃料ポンプを回生機とともに又は回生機とは独立して駆動させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した実施例１〜３を図面を参照しつつ説明する。
【実施例１】
【００２１】
実施例１の燃料電池システムは、図１に示すように、スタック１と、燃料タンクとしての水素タンク２と、エアコンプレッサ３と、図示しない冷却水ポンプとを備えている。
【００２２】
スタック１はハウジング内に複数の燃料電池セルを積層したものである。各燃料電池セルは固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで挟んで構成されている。スタック１のハウジングには、燃料ガスとしての水素ガスが供給される水素供給口１ａと、未反応の水素ガスが排出される水素排出口１ｂと、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気供給口１ｃと、未反応の空気が排出される空気排出口１ｄとが形成されている。水素供給口１ａと水素排出口１ｂとはハウジング内に形成された流路を経て全燃料電池セルの全アノード極に連通されている。また、空気供給口１ｃと空気排出口１ｄとはハウジング内に形成された流路を経て全燃料電池セルの全カソード極に連通されている。なお、ハウジングには、冷却水が供給される図示しない冷却水供給口と、冷却水が排出される図示しない冷却水排出口とが形成されている。
【００２３】
水素タンク２は高圧の水素ガスを貯留している。スタック１の水素供給口１ａと水素タンク２とは燃料供給流路１１により接続され、スタック１の下流側である水素排出口１ｂには燃料排出流路１２が接続されている。燃料排出流路１２には気液分離機１２ａが設けられている。
【００２４】
エアコンプレッサ３は大気中の空気を加圧して供給するものである。スタック１の空気供給口１ｃとエアコンプレッサ３の吐出口とは空気供給流路１３により接続され、スタック１の下流側である空気排出口１ｄには空気排出流路１４が接続されている。
【００２５】
また、この燃料電池システムは、燃料ポンプとしての水素ポンプ６と、回生機７とを備えている。
【００２６】
水素ポンプ６は水素タンク２内の水素ガスをスタック１に供給するものである。燃料排出流路１２が水素ポンプ６の吸入口に接続され、燃料供給流路１１に接続された燃料循環排出流路１９が水素ポンプ６の吐出口に接続されている。燃料排出流路１２及び燃料循環排出流路１９が燃料循環流路である。
【００２７】
回生機７は水素ガスを燃焼させてタービンが回転するように構成されている。回生機７のタービンは水素ポンプ６の駆動軸にタンデムに結合されている。燃料供給流路１１から分岐された回生燃料供給流路２１が回生機７に接続されている。回生燃料供給流路２１には開閉弁２４と一体化された電子制御インジェクション２３が設けられている。回生機７には燃焼後に生じた生成水を空気供給流路１３に導く給水流路２２が接続されている。
【００２８】
この燃料電池システムでは、開閉弁２４を変位させることにより、水素タンク２から供給される水素ガスを燃料供給流路１１から電子制御インジェクション２３に導く。そして、電子制御インジェクション２３によって水素ガスを大気と所定の割合で混合し、回生機７内において、水素ガスが大気中の酸素によって爆発的に燃焼し、タービンが回転する。こうして、回生機７が駆動される。このため、水素ポンプ６が回生機７によって回転駆動される。このため、この燃料電池システムでは、水素ポンプ６を回転駆動するためのモータを省略している。
【００２９】
この間、水素タンク２内の湿度の低い水素ガスが回生機７に供給されることから、燃焼が不安定になり難い。また、電子制御インジェクション２３の採用により、水素ガスを回生機７内で安定して燃焼させることができる。このため、燃料電池システムは安定して作動する。そして、燃焼後に生じた生成水は給水流路２２を経て空気供給流路１３からスタック１に供給される。これによって、この燃料電池システムでは、加湿器も省略している。また、水素ポンプ６は、低温環境下において、内部の水蒸気が凍結して起動し難い状態であっても、水素ガスを燃焼させる際に生じる熱によって解凍が行われ、起動しやすくなる。
【００３０】
また、この燃料電池システムは、水素ポンプ６と回生機７とが一体に構成されているため、回生機７の熱が水素ポンプ６に伝達しやすく、低温環境下での水素ポンプ６の起動がより確実になる。また、構成が簡素化され、製造コストの低廉化も実現している。
【００３１】
したがって、この燃料電池システムはより実用的なものとなっている。
【実施例２】
【００３２】
実施例２の燃料電池システムは、図２に示すように、発電電動機８を備えている。発電電動機８の回転軸は回生機７のタービン及び水素ポンプ６の駆動軸にタンデムに結合されている。他の構成は実施例１の燃料電池システムと同様である。
【００３３】
この燃料電池システムでは、回生機７に発電電動機８が接続されているため、回生機７による水素ポンプ６の駆動が困難な場合、発電電動機８を電動機として機能させることによって回生機７をアシストすることが可能である。また、回生機７によって水素ポンプ６の駆動を行いながら、発電電動機８を発電機として機能させて図示しない蓄電池への充電を行うことも可能である。
【００３４】
また、この燃料電池システムでは、発電電動機８の回転軸と回生機７のタービンとの間又は回生機７のタービンと水素ポンプ６の駆動軸との間に電磁クラッチを設けることにより、発電電動機８を電動機として機能させ、水素ポンプ６を回生機７とともに又は回生機７とは独立して駆動させることが可能である。発電電動機８は小型のもので足りる。他の作用効果は実施例１と同様である。なお、発電電動機８の代わりに小型のモータを設けることも可能である。
【実施例３】
【００３５】
実施例３の燃料電池システムでは、図３に示すように、燃料排出流路１２から分岐された回生燃料供給流路２５が回生機７に接続されている。回生燃料供給流路２５には開閉弁２６と一体化された電子制御インジェクション２７が設けられている。また、燃料排出流路１２には、回生燃料供給流路２５より上流側にパージ流路２８が接続されており、パージ流路２８にはパージ弁２９が設けられている。他の構成は実施例１の燃料電池システムと同様である。
【００３６】
この燃料電池システムでは、気液分離しきれなかった水素ガスによって回生機７内の燃焼が不安定になるおそれはあるものの、水素ガスの再利用によって無駄な消費を回避することができる。また、水素ガスの燃焼が不安定化した場合、また、水素ガス中の不純物の濃度が増加し、パージ弁２９を開いて回生機７への水素ガスの供給を止めてパージ動作を行う場合、水素タンク２から水素ガスをスタック１に供給し続けることができるため、スタック１での反応を安定化させることができる。他の作用効果は実施例１と同様である。なお、実施例３の燃料電池システムにおいて、実施例２と同様の発電電動機８又はモータを設けることも可能である。
【００３７】
以上において、本発明を実施例１〜３に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜３に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は車両等の動力装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】実施例１の燃料電池システムの模式構造図である。
【図２】実施例２の燃料電池システムの模式構造図である。
【図３】実施例３の燃料電池システムの模式構造図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…スタック
１１…燃料供給流路
６…燃料ポンプ（水素ポンプ）
１２、１９…燃料循環流路（１２…燃料排出流路、１９…燃料循環排出流路）
７…回生機
２…燃料タンク（水素タンク）
２１、２５…回生燃料供給流路
２３、２７…混合機（電子制御インジェクション）
８…発電電動機
【図１】
2009170190.tif 000003
【図２】
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【図３】
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