(57)【要約】【課題】小型及び軽量化の効果をより発揮可能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、スタック１と回生機７とがエアコンプレッサ３に対して並列に設けられている。スタック１には、エアコンプレッサ３によって吐出された空気が供給される給気流路１３と、下流に未反応の空気を排出する排気流路１４とが接続されている。回生機７には、エアコンプレッサ３によって吐出された空気が供給される回生給気流路２２と、下流に空気を排出する回生排気流路２４とが接続されている。燃料ポンプ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
2009187713.tif 000002
【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、該スタックに該酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給手段が配設された酸化剤ガス供給流路と、該酸化剤ガス供給手段から供給される該酸化剤ガスによって駆動されて回転力を生じる回生機とを備え、
前記スタックと前記回生機とは前記酸化剤ガス供給手段に対して並列に設けられ、
該スタックには、該酸化剤ガス供給手段によって吐出された前記酸化剤ガスが供給される給気流路と、下流に未反応の該酸化剤ガスを排出する排気流路とが接続され、
該回生機には、該酸化剤ガス供給手段によって吐出された該酸化剤ガスが供給される回生給気流路と、下流に該酸化剤ガスを排出する回生排気流路とが接続され、
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】
前記酸化剤ガス供給手段は、大気を加圧して前記酸化剤ガス供給流路に供給するエアコンプレッサである請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記給気流路及び前記回生給気流路は開閉弁を介して前記酸化剤ガスが供給されるようになっている請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
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３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記スタックは前記燃料ポンプ及び前記回生機に隣接している請求項４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１〜３に従来の燃料電池システムが開示されている。これら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ための酸化剤ガス供給手段が配設された酸化剤ガス供給流路とを備えている。特許文献１〜３には、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さらに備えた燃料電池システムも開示されている。
【０００３】
また、特許文献１〜３開示の燃料電池システムは、酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスによって駆動されて回転力を生じる回生機を備えている。特許文献１、２開示の燃料電池システムでは、回生機は酸化剤ガス供給手段とスタックとの間に設けられている。酸化剤ガス供給手段と回生機とは、酸化剤ガス供給手段によって吐出された酸化剤ガスが供給される回生給気流路によって接続されている。また、回生機とスタックとは、回生機から排出された酸化剤ガスが供給される給気流路によって接続されている。また、特許文献３開示の燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給手段の下流にスタックが設けられ、スタックの下流に回生機が設けられている。つまり、これらの燃料電池システムでは、回生機が酸化剤ガス供給手段及びスタックに対して直列に設けられている。
【０００４】
この種の燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給手段によって吐出された酸化剤ガスが回生機に供給された後でスタックに供給される。燃料ポンプはこの回生機によって回転駆動されるように構成されている。
【０００５】
燃料循環流路を備えたこの種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に再循環させることができるため、効率の向上を実現可能である。また、この種の燃料電池システムでは、回生機がスタックから排出された酸化剤ガスによって駆動されて回転力を生じ、燃料ポンプが回生機によって回転駆動されることから、燃料ポンプをモータによって回転駆動する必要がなく、小型及び軽量化の効果も奏する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１０９６３２号公報
【特許文献２】特開２００３−３０８８５８号公報
【特許文献３】特開２００７−１８４１９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、スタックの下流には、スタック内の酸化剤ガスの圧力を適正に保つための圧力調整弁が設けられる。このため、回生機が酸化剤ガス供給手段及びスタックに対して直列に設けられた上記従来の燃料電池システムでは、回生機の上流側又は下流側に圧力損失を生じ、たとえ酸化剤ガス供給手段が安定して酸化剤ガスを供給していたとしても、回生機を駆動する酸化剤ガスの圧力に変動を生じ、回生機の回転力に変動を生じてしまう。このため、燃料ポンプを十分な回転力で安定して駆動することができず、モータの省略又は小型化を実現できず、小型及び軽量化の効果が不十分である。
【０００８】
また、上記従来の燃料電池システムでは、回生機に十分な圧力を付与できず、それによって回生機で生じる流量当りのエネルギーも小さくなる。このため、そのような圧力で流量当りのエネルギーを大きくするために回生機の大型化を生じ、車両等への搭載性が損なわれることとなる。
【０００９】
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、小型及び軽量化の効果をより発揮可能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】
【００１０】
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、該スタックに該酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給手段が配設された酸化剤ガス供給流路と、該酸化剤ガス供給手段から供給される該酸化剤ガスによって駆動されて回転力を生じる回生機とを備え、
前記スタックと前記回生機とは前記酸化剤ガス供給手段に対して並列に設けられ、
該スタックには、該酸化剤ガス供給手段によって吐出された前記酸化剤ガスが供給される給気流路と、下流に未反応の該酸化剤ガスを排出する排気流路とが接続され、
該回生機には、該酸化剤ガス供給手段によって吐出された該酸化剤ガスが供給される回生給気流路と、下流に該酸化剤ガスを排出する回生排気流路とが接続され、
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。
【００１１】
本発明の燃料電池システムでは、酸化剤ガス供給手段によって吐出された酸化剤ガスがスタックと回生機とに並列に供給される。このため、この燃料電池システムでは、スタックの下流に圧力調整弁が設けられるとしても、回生機の上流側又は下流側に圧力損失を生じない。このため、酸化剤ガス供給手段が安定して酸化剤ガスを供給している限り、回生機を駆動する酸化剤ガスの圧力に変動を生じず、回生機の回転力に変動を生じない。このため、燃料ポンプを十分な回転力で安定して駆動することが可能であり、モータの省略又は小型化を実現できる。
【００１２】
また、酸化剤ガス供給流路は、圧縮熱によってスタックの下流の温度より温度が高い。このため、酸化剤ガス供給流路は、スタックの下流より酸化剤ガスの流量が多く、取り出し可能なエネルギーが多い。このため、酸化剤ガス供給手段からスタックと並列に設けられる回生機は、効果的に回転力を生じることとなる。すなわち、この燃料電池システムでは、回生機に十分な圧力を付与できることから、回生機で生じる流量当りのエネルギーも大きくすることが可能である。このため、回生機の小型化が実現可能である。
【００１３】
したがって、本発明の燃料電池システムは、小型及び軽量化の効果をより発揮可能である。このため、この燃料電池システムは車両等への優れた搭載性を発揮することが可能である。
【００１４】
また、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。
（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４５０Ｖの電位を有し、燃料ポンプを回転駆動するモータは約２００Ｖ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）燃料ガスの再循環流量は酸化剤ガス供給手段の出力によって決定されるのであるが、燃料ガス及び酸化剤ガスの必要流量はほぼ同期しており、要求出力の変動に合わせて燃料ガス及び酸化剤ガスの量を一元的に制御することができ、制御装置を簡易にすることができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス供給手段は、大気を加圧して酸化剤ガス供給流路に供給するエアコンプレッサであり得る。この場合、エアコンプレッサから給気流路と回生給気流路とが分流されていてもよく、エアコンプレッサに給気流路又は回生給気流路だけが接続され、給気流路から回生給気流路が分流されたり、回生給気流路から給気流路が分流されたりしていてもよい。
【００１６】
本発明の燃料電池システムにおいて、給気流路及び回生給気流路は開閉弁を介して酸化剤ガスが供給されるようになっていることが好ましい。この場合、開閉弁は三方弁であることが好ましい。そして、開閉弁の開度によってスタックに供給する酸化剤ガスの流量と回生機に供給する酸化剤ガスの流量との比率を変更することが可能である。このため、回生機の出力を任意に調整することが可能であり、燃料電池システムをより好適に制御することが可能になる。例えば、フラッディング対策のための掃気モードにおいて、スタックを経由しない多量の酸化剤ガスを回生機に供給して燃料ポンプを高速で回転駆動することが可能になり、より素早い掃気が可能になる。
【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、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】
また、スタックは燃料ポンプ及び回生機に隣接していることが好ましい。この場合、スタックは熱容量が大きいことから、燃料ポンプ及び回生機の凍結防止に有利である。また、スタックに短い距離で燃料ガスを供給し、かつスタックから短い距離で燃料ガスを排出できることから、燃料ガスの流路抵抗を小さくすることができるとともに、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。
【００１９】
なお、回生機による燃料ポンプの駆動が困難な場合等に備え、モータによって回生機をアシストすることも可能である。
【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、２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。エアコンプレッサ３はモータ４によって駆動されるようになっている。スタック１の空気供給口１ｃとエアコンプレッサ３の吐出口とは三方弁からなる開閉弁２３を介して給気流路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には排気流路１４が接続されている。給気流路１３が酸化剤ガス供給流路である。排気流路１４には、スタック１内の空気の圧力を適正に保つための圧力調整弁１４ａが設けられている。
【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。水素ポンプ６及び回生機７は一体に構成され、スタック１のハウジングに隣接している。
【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の吸入口には回生給気流路２２が接続され、回生機７の排気口には回生排気流路２４が接続されている。回生給気流路２２は開閉弁２３を介して給気流路１３に接続されている。回生排気流路２４は圧力調整弁１４ａより下流の排気流路１４に接続されている。この回生機７は回生給気流路２２に供給される空気によっ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。
【００２８】
この燃料電池システムでは、開閉弁２３を変位させることにより、エアコンプレッサ３によって吐出された空気がスタック１と回生機７とに並列に供給される。このため、この燃料電池システムでは、スタック１の下流に圧力調整弁１４ａが設けられていても、回生機７の上流側又は下流側に圧力損失を生じない。このため、エアコンプレッサ３が安定して空気を供給している限り、回生機７を駆動する空気の圧力に変動を生じず、回生機７の回転力に変動を生じない。このため、水素ポンプ６を十分な回転力で安定して駆動することが可能であり、モータの省略を実現できる。
【００２９】
具体的には、回生機７の仕事Ｗは空気の圧力Ｐと容積Ｖとの積のＰＶである。エアコンプレッサ３の吐出ゲージ圧力を２００ｋＰａとした場合、回生機７には２００ｋＰａの空気が供給される。仮に、上記従来技術のように、回生機７がエアコンプレッサ３及びスタック１に対して直列に設けられているならば、スタック１、図示しない加湿モジュール、気液分離機１２ａ等で１５０ｋＰａの圧力損失を生じ得ることから、回生機７での圧力損失は５０ｋＰａ未満に抑える必要がある。これらを比較すれば、同じ仕事Ｗを得るため、実施例１の燃料電池システムは、従来の燃料電池システムと比べ、１／４倍の容積Ｖで足りることがわかる。
【００３０】
また、排気流路１４は温度が１２０°Ｃ程度であるのに対し、給気流路１３は圧縮熱によって１５０〜２５０°Ｃ程度となっている。このため、給気流路１３は排気流路１４より空気の流量が多く、取り出し可能なエネルギーが多い。このため、エアコンプレッサ３からスタック１と並列に設けられる回生機７は、効果的に回転力を生じることとなる。すなわち、この燃料電池システムでは、回生機７に十分な圧力を付与できることから、回生機７で生じる流量当りのエネルギーも大きくすることが可能である。このため、回生機７の小型化が実現可能である。なお、通常、スタック１の直前にはインタークーラが設けられ、給気流路１３内の空気はスタック１の耐熱温度まで冷却される。
【００３１】
この間、開閉弁２３の開度によってスタック１に供給する空気の流量と回生機７に供給する空気の流量との比率を変更することが可能である。このため、回生機７の出力を任意に調整することが可能であり、燃料電池システムをより好適に制御することが可能である。
【００３２】
また、この燃料電池システムは、水素ポンプ６と回生機７とがスタック１に一体的に構成されている。このため、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。また、水素ポンプ６及び回生機７が、熱容量の大きなスタック１と一体となることで、温度低下し難くなり、凍結防止に有利である。また、スタック１に短い距離で水素ガスを供給し、かつスタック１から短い距離で水素ガスを排出できることから、水素ガスの流路抵抗を小さくすることができるとともに、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。
【００３３】
したがって、この燃料電池システムは、小型及び軽量化の効果をより発揮可能である。このため、この燃料電池システムは車両等への優れた搭載性を発揮することが可能である。また、この燃料電池システムは、モータによって水素ポンプ６を回転駆動する一般的な燃料電池システムと比べ、上記の利点もある。このため、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】
【００３４】
実施例２の燃料電池システムは、図２に示すように、小型のモータ８を備えている。モータ８は水素ポンプ６及び回生機７とともにスタック１のハウジングに一体的に固定されている。また、モータ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。
【００３５】
この燃料電池システムでは、回生機７にモータ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、モータ８によって回生機７をアシストすることが可能である。
【００３６】
また、この燃料電池システムでは、モータ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、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。また、モータ８は常時駆動されないため、モータ８を常時駆動することによるデメリットは生じない。他の作用効果は実施例１と同様である。
【００３７】
以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２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。
【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）
３…酸化剤ガス供給手段、エアコンプレッサ
１３…給気流路（酸化剤ガス供給流路）
７…回生機
１４…排気流路
２２…回生給気流路
２４…回生排気流路
２３…開閉弁
【図１】
2009187713.tif 000003
【図２】
2009187713.tif 000004