JP6723520B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

水素ガス及び酸化ガスを用いて電力を供給する燃料電池システムが実用化されている。発電装置である燃料電池は、アノードやカソードと称される電極を有している。燃料電池は、アノードに供給される水素ガスと、カソードに供給されると酸化ガスと、を用いて電気化学反応を生じさせることにより、電力を発生させる。

特許文献１には、水素ガス供給流路と、帰還流路と、水素ポンプと、を備える燃料電池システムが開示されている。水素ガス供給流路は、水素タンクに貯蔵された水素をアノードに供給する流路である。帰還流路は、アノードから排出されたガス（以下「アノードオフガス」という。）を水素ガス供給流路に戻す流路である。水素ポンプは、帰還流路に配置され、アノードオフガスを水素ガス供給流路側に圧送する流体機器である。アノードオフガスは、電気化学反応で消費されなかった残余の水素ガスを含んでいる。したがって、アノードオフガスをアノードに供給することにより、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。

ところで、アノードオフガスは、水素ガスの他にも、電気化学反応に伴って生成した水蒸気を含んでいる。このため、前述した特許文献１記載の構成では、水素ポンプにおいて凝縮水の生成及びその凍結が生じ、水素ポンプの駆動に支障を来すおそれがある。

そこで、特許文献１記載の燃料電池システムは、ヒータや、ヒータによって加熱された媒体を水素ポンプに供給する流路を備えている。このような構成を用いて水素ポンプを加熱することにより、水素ポンプにおける凝縮水の生成及びその凍結を抑制することが可能になる。

特開２００９−１５８３７９号公報

しかしながら、特許文献１記載の燃料電池システムは、水素ポンプの温度調整のみに用いられる構成を必要とするため、製造コストの増大を招くという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素ポンプにおける凝縮水の生成及びその凍結を抑制しながらも、製造コストを抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素ガス及び酸化ガスの供給を受け、電気化学反応を生じさせて電力を発生させる燃料電池と、燃料電池に水素ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された水素ガスを供給流路に戻す帰還流路と、帰還流路に配置され、水素ガスを圧送する水素ポンプと、燃料電池を介して冷却水を循環させる冷却水流路が内部に形成された冷却水配管と、を備える。水素ポンプは、冷却水配管と当接している。

この構成によれば、まず、冷却水流路において循環する冷却水は、電気化学反応の反応熱によって昇温している燃料電池を冷却する。この冷却の際、冷却水は燃料電池から受熱し、その温度が上昇する。

水素ポンプは、冷却水流路が内部に形成された冷却水配管と当接している。したがって、水素ポンプは、冷却水流路を流れる冷却水から冷却水配管を介して受熱し、その温度が上昇する。

すなわち、上記構成によれば、燃料電池の冷却に用いられる冷却水により、水素ポンプを加熱することができる。この結果、水素ポンプにおける凝縮水の生成及びその凍結を抑制しながらも、製造コストを抑制することが可能になる。

本発明によれば、水素ポンプにおける凝縮水の生成及びその凍結を抑制しながらも、製造コストを抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。

実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 図１に示す水素ポンプの説明図である。 図１に示す水素ポンプの説明図である。

以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、図１を参照しながら、実施形態に係る燃料電池システム１の概要について説明する。図１は燃料電池システム１のブロック図である。図１は、燃料電池システム１が備える構成のうち主要なもののみを図示している。

燃料電池システム１は、不図示の車両に搭載されている。当該車両は所謂燃料電池自動車である。当該車両は、電力によって駆動する不図示の交流モータを動力源として備えている。燃料電池システム１は、電力を発生させるとともに、当該電力を交流モータに供給する。

燃料電池システム１は、燃料電池１０と、酸化ガス供給部２と、水素ガス供給部３と、冷却水供給部４と、を備えている。

燃料電池１０は、不図示の複数の単セルを積層してなる固体高分子形燃料電池である。各単セルは、アノードやカソードと称される電極と、アノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜と、を有している。アノードでは（１）式の酸化反応が生じる。カソードでは（２）式の還元反応が生じる。単セル全体としては、（３）式の電気化学反応が生じる。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池１０は、この電気化学反応に伴って、電力線１１に直流電力を出力する。当該直流電力は、不図示のインバータによって三相交流電力に変換された後に、交流モータに供給される。

酸化ガス供給部２は、燃料電池１０のカソードに酸化ガスを供給する機能部である。具体的には、酸化ガス供給部２は空気をカソードに供給し、カソードでは当該空気中に含まれる酸素が電気化学反応に用いられる。

酸化ガス供給部２は、供給流路２１及び排出流路２２を有している。供給流路２１は、車両の外部から取り込んだ空気を燃料電池１０のカソードに導く流路である。排出流路２２は、カソードから排出された空気を車両の外部に導く流路である。

供給流路２１には、フィルタ２１１、コンプレッサ２１２及びインタークーラ２１３が配置されている。フィルタ２１１は、供給流路２１に取り込まれる空気から異物を除去する。コンプレッサ２１２は、フィルタ２１１よりも下流側に配置され、空気を吸引して供給流路２１に空気を取り込むとともに、圧縮して下流側に流す。インタークーラ２１３には、コンプレッサ２１２が圧縮した高温の空気が供給される。当該空気は、インタークーラ２１３を通過する際に放熱し、その温度が低下した後に、燃料電池１０に導かれる。

水素ガス供給部３は、燃料電池１０のアノードに水素ガスを供給する機能部である。水素ガス供給部３は、供給流路３１及び排出流路３２を有している。供給流路３１は、水素ガスを燃料電池１０のアノードに導く流路である。排出流路３２は、アノードから排出されたアノードオフガスを車両の外部に導く流路である。

供給流路３１には、水素タンク３１１及びインジェクタ３１２が配置されている。水素タンク３１１は、その内部に高圧（例えば、３５ＭＰａから７０ＭＰａ程度）の水素ガスを貯蔵する容器である。水素タンク３１１は、不図示のバルブが開弁することにより、供給流路３１に水素ガスを供給する。水素タンク３１１が供給した水素ガスは、インジェクタ３１２を通過することにより例えば２００ｋＰａ程度まで減圧され、供給流路３１を流れる。

水素ガス供給部３は、さらに、帰還流路３３を有している。帰還流路３３は、その一端が排出流路３２に接続され、他端が供給流路３１に接続されている。換言すると、帰還流路３３は排出流路３２から分岐するとともに、供給流路３１に合流するように形成されている。これにより、燃料電池１０のアノードから排出されたアノードオフガスの一部が、帰還流路３３を介して供給流路３１に供給される。

燃料電池１０のアノードから排出されたアノードオフガスは、電気化学反応で消費されなかった残余の水素ガスを含んでいる。したがって、アノードオフガスが帰還流路３３を介して供給流路３１に供給されることにより、燃料電池１０から排出された水素ガスが供給流路３１に戻される。

帰還流路３３には水素ポンプ５が配置されている。水素ポンプ５は、排出流路３２からアノードオフガスを吸引するとともに、当該アノードガスを供給流路３１に圧送する。水素ポンプ５の詳細な構成については後述する。

冷却水供給部４は、燃料電池１０に冷却水を供給する機能部である。燃料電池１０の各単セルは、電気化学反応の反応熱によって昇温する。冷却水供給部４は、冷却水を供給することにより燃料電池１０を冷却し、燃料電池１０の温度を所定の値に維持する。

冷却水供給部４は、冷却水流路４０を有している。冷却水流路４０は、冷却水を循環させる流路である。冷却水は、例えば不凍液を混入させたＬＬＣ等が用いられる。冷却水流路４０は、主流路４１及びバイパス流路４２を有している。

主流路４１の両端は、いずれも、燃料電池１０の内部に形成された流路に接続されている。主流路４１には、冷却水ポンプ４１１及びラジエータ４１２が配置されている。ラジエータ４１２の側方には、ファン４１３が配置されている。冷却水ポンプ４１１は、冷却水を吸引し、下流側に圧送する流体機器である。

ラジエータ４１２は、冷却水ポンプ４１１の下流側に配置され、不図示のチューブとコルゲートフィンとを有する熱交換器である。チューブは、内部に冷却水を流す金属製の管状部材である。コルゲートフィンは、金属製の板を折り曲げることで形成されている。ラジエータ４１２は、複数のコルゲートフィンと複数のコルゲートフィンとを交互に積層することで形成されている。

ファン４１３が駆動すると、車両の外部から空気が取り込まれる。この空気は、隣り合うチューブ間を流れることでラジエータ４１２を通過し、当該チューブの内部を流れる冷却水と熱交換を行う。これにより、ラジエータ４１２を流れる冷却水が放熱し、当該冷却水の温度が低下する。

バイパス流路４２は、第１流路４３及び第２流路４４を有している。第１流路４３及び第２流路４４は、いずれも、その一端が主流路４１に接続されている。詳細には、第１流路４３の一端は、冷却水ポンプ４１１の下流かつラジエータ４１２の上流の部位に接続されている。また、第２流路４４の一端は、ラジエータ４１２の下流かつ燃料電池１０の上流の部位に接続されている。第１流路４３及び第２流路４４の他端は、いずれも、インタークーラ２１３の筐体の内部に形成された流路に接続されている。

冷却水ポンプ４１１が駆動すると、冷却水は主流路４１及びバイパス流路４２を循環するように流れる。主流路４１を流れる冷却水は、燃料電池１０の内部に形成された流路を流れる際に熱交換し、燃料電池１０を冷却する。当該熱交換によって昇温し、燃料電池１０から排出された冷却水は、主流路４１によってラジエータ４１２に供給される。当該冷却水は、ラジエータ４１２の内部を流れる際に空気と熱交換し、その温度が低下する。ラジエータ４１２を通過した冷却水は、主流路４１によって再び燃料電池１０に供給され、その冷却の用に供される。

ここで、冷却水ポンプ４１１によって圧送される冷却水の一部は、主流路４１からバイパス流路４２の第１流路４３に供給される。当該第１流路４３を流れる冷却水は、インタークーラ２１３に供給される。当該冷却水は、インタークーラ２１３の筐体の内部を流れる際に熱交換し、当該筐体を冷却する。当該熱交換によって昇温した冷却水は、インタークーラ２１３からバイパス流路４２の第２流路４４に排出される。

第２流路４４を流れる冷却水は、水素ポンプ５の近傍を通過した後、再び主流路４１に戻される。当該冷却水は、ラジエータ４１２を通過して主流路４１を流れる冷却水と合流し、燃料電池１０の冷却の用に供される。

このように冷却水を循環させることにより、燃料電池１０を継続的に冷却することができる。冷却された燃料電池１０の温度は、所定の値に維持される。この結果、燃料電池１０において電気化学反応を安定的に生じさせ、燃料電池システム１の発電効率を高めることが可能になる。

次に、水素ポンプ５の詳細な構成について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２及び図３は、水素ポンプ５の説明図である。図２は、水素ポンプ５及び冷却水配管４４１の外観を示している。図３は、図２の紙面奥行方向に対して垂直な平面で切断した水素ポンプ５の断面を示している。

水素ポンプ５は、真空ポンプやルーツポンプと称される流体機器である。図３に示されるように、水素ポンプ５は、ハウジング５１と、ロータ５５ａ，５５ｂと、を有している。

ハウジング５１は、水素ポンプ５の外殻となる部材である。ハウジング５１の内部には、ポンプ室５２が形成されている。また、ハウジング５１のうち、互いに対向する部分には、吸込口５３と、吐出口５４と、が開設されている。吸込口５３及び吐出口５４は、いずれも、ハウジング５１の外部とポンプ室５２とを連通するように開設されている。吸込口５３及び吐出口５４は、いずれも帰還流路３３（図１参照）と接続されている。

ポンプ室５２には、一対のロータ５５ａ，５５ｂが配置されている。ロータ５５ａ，５５ｂは、相互間や、ハウジング５１の内側面との間に僅かな隙間を隔てて配置されている。ロータ５５ａ，５５ｂは、中央部から両端部にかけて拡大するように形成されている。

ロータ５５ａ，５５ｂは、その中央部が回転軸５６ａ，５６ｂによって枢支されている。ロータ５５ａ，５５ｂは、不図示のタイミングギアの回転に伴い、回転軸５６ａ，５６ｂを中心として互いに反対方向に回転するように構成されている。

ロータ５５ａ，５５ｂが回転し、それぞれの端部が吸込口５３の近傍を通過すると、当該端部とハウジング５１との間にアノードオフガスが補足される。これにより、矢印Ｆ１で示されるように、帰還流路３３を流れるアノードオフガスが吸込口５３からポンプ室５２に吸い込まれる。

ポンプ室５２に吸い込まれたアノードオフガスは、ハウジング５１とロータ５５ａ，５５ｂとの間に閉じ込められ、ロータ５５ａ，５５ｂの回転に伴って吐出口５４側に送られる。このアノードオフガスは、矢印Ｆ２で示されるように吐出口５４から排出され、前述したように帰還流路３３を流れ、供給流路３１を流れる水素ガスと合流する。

ところで、燃料電池１０のアノードから排出流路３２に排出されたアノードオフガスは、電気化学反応に伴って生成した水蒸気を含んでいる。したがって、水素ポンプ５が低温環境に置かれると、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮し、その凝縮水が凍結するおそれがある。凍結によって生じた氷塊が、ロータ５５ａ，５５ｂ間や、ロータ５５ａ，５５ｂとハウジング５１との間に挟み込まれると、ロータ５５ａ，５５ｂの回転が妨げられ、水素ポンプ５の駆動に支障を来すおそれがある。このような凝縮水の生成及びその凍結は、アノードオフガスが吸い込まれる吸込口５３の近傍で特に懸念される。

そこで、燃料電池システム１は、図２に示されるように、冷却水配管４４１を水素ポンプ５のハウジング５１と当接させることで、凝縮水の凍結防止を図っている。特に、冷却水配管４４１は、吸込口５３の近傍に当接している。冷却水配管４４１は管状の部材であり、その内部に第２流路４４が形成されている。

前述したように、第２流路４４には、燃料電池１０及びインタークーラ２１３と熱交換を行って昇温した冷却水が流れている。したがって、水素ポンプ５のハウジング５１は、第２流路４４を流れる冷却水から冷却水配管４４１を介して受熱し、その温度が上昇する。

すなわち、本構成によれば、燃料電池１０の冷却に用いられる冷却水により、水素ポンプ５を加熱することができる。この結果、水素ポンプ５における凝縮水の生成及びその凍結を抑制しながらも、製造コストを抑制することが可能になる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されず、適宜変更することができる。

例えば、上記実施形態では、インタークーラ２１３と熱交換を行って昇温した冷却水によって水素ポンプ５を加熱しているが、本発明はこの態様に限定されない。つまり、冷却水に、インタークーラ２１３との熱交換を行わせることなく、水素ポンプ５を加熱させてもよい。この場合、燃料電池１０の下流側かつラジエータ４１２の上流側の主流路４１を流れる冷却水を水素ポンプ５の加熱に用いることが好ましい。この構成によれば、ラジエータ４１２を通過する前の冷却水を用いることができるため、高温の冷却水によって水素ポンプ５を確実に加熱することができる。

１：燃料電池システム ３１：供給流路 ３３：帰還流路 ４０：冷却水流路 ４１１：冷却水ポンプ ４４１：冷却水配管

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   水素ガス及び酸化ガスの供給を受け、電気化学反応を生じさせて電力を発生させる燃料電池と、
   前記燃料電池に水素ガスを供給する供給流路と、
   前記燃料電池から排出された水素ガスを前記供給流路に戻す帰還流路と、
   前記帰還流路に配置され、水素ガスを圧送する水素ポンプと、
   前記燃料電池を介して冷却水を循環させる冷却水流路が内部に形成された冷却水配管と、を備え、
   前記冷却水流路は、主流路とバイパス流路を有し、
   前記主流路の両端は、いずれも前記燃料電池の内部に形成された流路に接続されており、
   前記主流路には、冷却水ポンプ及びラジエータが配置されており、
   前記バイパス流路の一端は、前記冷却水ポンプの下流かつ前記ラジエータの上流の部位に接続されており、
   前記バイパス流路の他端は、前記ラジエータの下流かつ前記燃料電池の上流の部位に接続されており、
   前記水素ポンプは、前記バイパス流路が内部に形成された冷却水配管と当接していることを特徴とする燃料電池システム。