JP4938224B2

JP4938224B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4938224B2
Application number: JP2004067313A
Authority: JP
Inventors: 真理曽和; 芳之中根
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: JP2005259439A

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、エアコンプレッサ又は水素循環ポンプ等の駆動方式に関する。

特開２０００−２６８８３７号公報には、燃料電池のアノード極から排出された水素オフガスをアノード極に還流させるための水素循環ポンプとして、圧縮空気駆動式のポンプを選定し、エアコンプレッサから供給される加圧エアで水素循環ポンプを駆動する構成が提案されている。燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するものとして従来から用いられているエアコンプレッサを水素循環ポンプの駆動源とすることにより、水素循環ポンプを電動式にした場合と比較して燃費向上や軽量化等の点においてメリットがある。
特開２０００−２６８８３７号公報

しかし、エアコンプレッサから供給される加圧エアで水素循環ポンプを駆動すると、加圧エアによる駆動力が不足して要求駆動力を得ることができない虞があった。また、エアコンプレッサを電動駆動式にすると、消費電力量は大きくなり重量も増大するため燃費低下の要因になる。更に、電動駆動式のエアコンプレッサでは断熱圧縮で発生する熱の他に機械運動による熱によって吐出ガスが高温になるため、冷却機構（インタークーラ等）が必要になる。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、安定した駆動力をガス供給装置に供給できる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池にガス（水素オフガス又はエア）を供給するガス供給装置（水素循環ポンプ又はエアコンプレッサ）と、燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備える。ガス供給装置として水素タンクからアノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプを採用する。水素タンクから放出される水素ガスは高圧であるため、ガス供給装置の駆動力が不足することなく、安定して駆動することができる。水素タンクとしては水素ガスを高圧に充填した高圧水素タンクが好ましい。

ここで、ガス駆動式ポンプとしては、例えば、燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するエアコンプレッサ、又はアノード極から排出された水素オフガスをアノード極に還流させるための水素循環ポンプであるのが好適である。水素タンクから放出される水素ガスは高圧であるため、エアコンプレッサ又は水素循環ポンプの駆動力が不足することなく、安定して駆動することができる。

また、燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するエアコンプレッサと、燃料電池のアノード極から排出された水素オフガスをアノード極に還流させるための水素循環ポンプをガス駆動式ポンプとして構成し、水素循環ポンプは水素タンクからアノード極へ供給される水素ガスに加えて、エアコンプレッサからカソード極に供給される加圧エアによって駆動されるように構成してもよい。水素循環ポンプの駆動力が不足することなく、安定して駆動することができる。

本発明の燃料電池システムは上述の構成に加えて、燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するための電動エアコンプレッサを更に備え、ガス供給装置はアノード極から排出された水素オフガスをアノード極に還流させるための水素循環ポンプであり、水素循環ポンプは水素タンクからアノード極へ供給される水素ガスに加えて、電動エアコンプレッサからカソード極に供給される加圧エアによって駆動されるように構成してもよい。水素タンクの残圧が低下した場合でも、電動エアコンプレッサによって水素ガスの駆動力不足を補うことができる。

本発明の燃料電池システムは上述の構成に加えて、水素タンクからアノード極に供給される水素ガスを所定圧に減圧する減圧弁が配設された水素ガス供給路を更に備え、ガス駆動式ポンプは減圧弁の上流側の水素ガス供給路に配設してもよい。ガス駆動式ポンプを減圧弁の上流側に配設することで、ガス駆動式ポンプの駆動に適度な水素ガス圧を供給できる。但し、水素ガス供給路に減圧弁が複数配設されている場合は、全ての減圧弁の上流側にガス駆動式ポンプが配設されている必要はなく、ガス駆動式ポンプに適度な水素ガス圧が供給されるようにガス駆動式ポンプと減圧弁の配置関係を選定すればよい。

本発明によれば、エアコンプレッサ又は水素循環ポンプ等のガス供給装置を水素タンクから放出される高圧の水素ガスで駆動する構成であるため、ガス供給装置の駆動力を安定して供給できる。

以下、各図を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は実施例１に係わる燃料電池システム１０の概略構成を示している。同システム１０は燃料電池電気自動車搭載用の発電システムとして構成されており、反応ガス（水素ガス、エア）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池（セルスタック）２０を備えている。燃料電池２０はフッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷等で形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は図示しないリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２及びカソード極２３との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５及びカソードガスチャンネル２６を形成している。

燃料電池システム１０には、燃料電池２０のアノード極２２に水素ガス（燃料ガス）を供給するための水素タンク３０と、燃料電池２０のカソード極２３に加圧エア（酸化ガス）を供給するためのエアコンプレッサ（空気圧縮機）４０と、アノード極２２から排出された水素オフガスをアノード極２２に還流させるための水素循環ポンプ５０が設置されている。水素タンク３０としては、高圧（例えば、３００〜７００気圧）に圧縮された水素ガスを充填する高圧水素タンクが好ましい。上述したエアコンプレッサ４０、水素循環ポンプ５０は燃料電池２０に水素ガスを供給するための水素ガス供給路６１上に配設されている。エアコンプレッサ４０、及び水素循環ポンプ５０は何れもガス駆動式ポンプによって構成されており、水素タンク３０から放出される高圧水素ガスによって駆動される。ガス駆動式ポンプとしては、例えば、ピストンポンプ又はダイアフラムポンプ等のレシプロポンプが好適であるが、これに限らず各種のガス駆動式ポンプを利用できる。但し、エジェクタは気体の混合が生じるので好ましくない。

ここで、図２を参照してダイアフラムポンプの構成について簡単に説明する。ここでは高圧水素ガスを作動媒体とする。ダイアフラムポンプ８０の室内空間は２つのダイアフラム８１ａ，８１ｂによって３つのエア室８２ａ〜８２ｃに区画されている。ダイアフラム８１ａ，８１ｂはシャフト８３によって連結されており、これらのエア室８２ａ〜８２ｃ内を往復動可能に構成されている。入力ポート８７からポンプ内に取り込まれた高圧水素ガスは切り替え弁８５の切り替え操作によって、二股分岐している流路８４ａ又は流路８４ｂのうち何れか一方に案内される。流路８４ａと流路８４ｂには高圧水素ガスの逆流を抑制するための逆止弁８６が複数設置されている。ここでは、高圧水素ガスを流路８４ａに案内するように切り替え弁８５が操作されている状態が図示されており、流路８４ａを流れる高圧水素ガスはエア室８２ａに導かれる。エア室８２ａに導かれた高圧水素ガスはダイアフラム８１ａを図示右方向に向って押圧し、エア室８２ｃ内の被圧縮ガスを圧縮する。ダイアフラム８１ａを押圧した高圧水素ガスは出力ポート８８からポンプ外に流出する。すると、高圧水素ガスが流路８４ｂに導かれるように切り替え弁８５が切り替えられる。エア室８２ｂに導かれた高圧水素ガスはダイアフラム８１ｂを図示左方向に向って押圧し、エア室８２ｃ内の被圧縮ガスを圧縮する。このように切り替え弁８５の切り替え操作に同期してダイアフラム８１ａ，８１ｂを往復動させることによって、被圧縮ガスを圧縮することができる。

ここで、図１の説明に戻る。水素タンク３０から放出される高圧水素ガスによって駆動されるエアコンプレッサ４０は大気から取り込んだエアを圧縮し、エア供給路７１を介して燃料電池２０のカソード極２３に加圧エアを供給する。カソード極２３での還元反応に供した後の酸素オフガスは酸素オフガス流路７２を経由してシステム外に排気される。エアコンプレッサ４０を駆動した高圧水素ガスは水素供給路６１の下流に設置されている水素循環ポンプ５０を駆動し、燃料電池２０のアノード極２２に流入する。水素循環ポンプ５０は水素オフガス流路６２を流れる水素オフガスを循環流路６３に還流させ、アノード極２２に導く。アノード極２２に導入された水素オフガスは酸化反応に再利用される。このように、エアコンプレッサ４０、及び水素循環ポンプ５０を水素供給路６１上に直列に配設することで、高圧水素ガスの圧力を利用してエアコンプレッサ４０、及び水素循環ポンプ５０を駆動すること可能となる。

尚、エア供給路７１から分岐して水素循環ポンプ５０に連通する分岐流路７３を分岐配管し、燃料電池２０のカソード極２３に導入される加圧エアの一部を水素循環ポンプ５０の駆動力として利用してもよい。水素循環ポンプ５０を駆動した加圧エアは合流路７４を経由してエア供給路７１に合流し、カソード極２３に流入する。また、エアコンプレッサ４０と水素循環ポンプ５０を水素供給路６１上に直列に設置する場合は、相対的に大流量を必要とするエアコンプレッサ４０を前段に設置し、相対的に小流量で足りる水素循環ポンプ５０を後段に設置するのが望ましい。また、エアコンプレッサ４０と水素循環ポンプ５０は必ずしも水素供給路６１上に直列に設置する必要はなく、両者を並列に接続してそれぞれを駆動してもよい。また、エアコンプレッサ４０のみを高圧水素ガスで駆動し、エアコンプレッサ４０から吐出される圧縮エアで水素循環ポンプ５０を駆動するように構成してもよい。また、エアコンプレッサ４０と水素循環ポンプ５０は必ずしも同一の水素タンク３０から放出される高圧水素ガスで駆動する必要はなく、別々の水素タンク３０から放出される高圧水素ガスで別個に駆動してもよい。また、水素タンク３０の残留水素が少量になった場合を想定して、エアコンプレッサ４０をガス駆動式ポンプと電動ポンプのハイブリッド構成とし、残留水素が少量になった時点で電動駆動に切り替えるように構成してもよい。

本実施例によれば、エアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０をガス駆動式ポンプとして構成しているため、水素タンク３０から放出される高圧水素ガスを利用してエアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０を駆動することが可能となり、安定した駆動力を確保できる。また、エアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０を電動モータで構成する必要がなくなるため、消費電力の削減、軽量化、吐出ガスの低温化、冷却水の不要化を実現できる。また、エアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０を構成するガス駆動式ポンプは樹脂などで成形することが可能であるため、燃料電池２０から漏出する強酸性の液体などで腐食する虞はなく、金属性の電動式ポンプに比べて耐久性に優れている。また、エアコンプレッサ４０又は水素循環ポンプ５０を樹脂製にすることで、軽量化を実現でき、燃費向上にも資する。

図３は実施例２に係わる燃料電池システム１１の概略構成を示している。図１に付した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとし、その詳細な説明は省略する。本実施例においては上述したガス駆動式ポンプのエアコンプレッサ４０に替えて、モータ駆動式の電動エアコンプレッサ４１を備えている。電動エアコンプレッサ４１はエア供給路７１を介してカソード極２３に加圧エアを供給するとともに、分岐流路７３を介して水素循環ポンプ５０に加圧エアの一部を供給する。水素循環ポンプ５０は水素タンク３０からアノード極２２に供給される高圧水素ガスに加えて、電動エアコンプレッサ４１から供給される加圧エアによっても駆動される。この方式により、水素循環ポンプ５０の駆動力を高圧水素ガスによって賄うことができない場合には、電動エアコンプレッサ４１から供給される加圧エアによって補うことができるため、水素循環ポンプ５０の安定動作を維持できる。

図４は実施例３に係わる燃料電池システム１２の概略構成を示している。図１に付した符号と同一符号の装置等については同一の装置等を示すものとし、その詳細な説明は省略する。本実施例においては、実施例１の構成に加えて更に、水素ガス供給路６１上に減圧弁Ａ１，Ａ２を多段設置し、水素タンク３０から放出される水素ガスを段階的に減圧している。前段（上流側）に配設された減圧弁（一次レギュレータ）Ａ１は水素タンク３０から放出された高圧水素ガス（例えば、３５ＭＰａ）を第１の所定圧（例えば、５ＭＰａ程度）に減圧する。続いて、後段（下流側）に配設された減圧弁（二次レギュレータ）Ａ２は第１の所定圧に減圧された水素ガスを更に第２の所定圧（例えば、数ｋＰａ）に減圧する。第２の所定圧に減圧された水素ガスは水素ガス供給路６１を通過してアノード極２２に供給される。このように、水素ガス供給路６１上に複数の減圧弁Ａ１，Ａ２が配設されている場合には、ガス駆動式ポンプ（エアコンプレッサ４０、水素循環ポンプ５０）に適度な水素ガス圧（作動圧）が過不足なく供給されるように水素ガス供給路６１上のガス駆動式ポンプと、減圧弁Ａ１，Ａ２の配設位置を選定するのが望ましい。例えば、本実施例では、減圧弁Ａ１の２次圧力は５ＭＰａ程度であるため、少なくとも減圧弁Ａ２よりも上流側にガス駆動式ポンプを配設するのが望ましい。

ガス駆動式ポンプを減圧弁Ａ１の上流側に配設して、水素タンク３０から放出されるガス圧をポンプ駆動に直接利用することも可能であるが、ガス駆動式ポンプを減圧弁Ａ１の下流側に配設し、ガス駆動式ポンプの駆動に適する圧力範囲に減圧された水素ガスを利用してガス駆動式ポンプを駆動するのが望ましい。また、減圧弁Ａ１，Ａ２を電磁制御式の電磁弁として構成し、ガス駆動式ポンプの吐出圧力が目標圧力に一致するように減圧弁Ａ１，Ａ２の減圧度合いを適宜調整してもよい。減圧弁Ａ１，Ａ２の制御は制御部９０によって以下のように行われる。
（１）燃料電池を搭載した車両の場合、運転者の加速要求を加速操作部材（アクセルペダル）の操作量から判断し、加速要求に対応する車輪駆動用モータの駆動力を演算する。次に、この駆動力を発生するために必要な要求電力を算出する。
（２）燃料電池２０の発電量が要求電力に一致するための目標水素ガス圧（又は目標水素流量）と、目標エア圧（目標エア流量）を求める。
（３）アノード極２２に供給される水素ガス圧（又は水素ガス流量）と、カソード極２３に供給されるエア圧（又はエア流量）がそれぞれ目標水素ガス圧（又は目標水素流量）、目標エア圧（又は目標エア流量）に一致するためのガス駆動式ポンプ（エアコンプレッサ４０、水素循環ポンプ５０）の駆動量（例えば、目標吐出圧、目標回転数など）を求める。
（４）ガス駆動式ポンプの駆動量が目標値に一致するための作動媒体（水素ガス）の目標圧力（又は目標流量）を求める。
（５）作動媒体（水素ガス）の圧力（又は流量）が目標圧力（又は目標流量）に一致するように減圧弁Ａ１，Ａ２の開度（減圧度合い）を調整する。

尚、ガス駆動式ポンプに供給される水素ガスとしては、水素ガス供給路（メイン流路）６１からバイパスするバイパス流路（図示せず）を介して供給してもよい。更にこのバイパス流路を経てガス駆動式ポンプを駆動した後の水素ガスを減圧弁Ａ２にて所定圧に減圧した後に水素ガス供給路６１に合流させてもよく、又は、アノード極２２に供給してもよい。

実施例１の燃料電池システムの構成図である。ダイアフラムポンプの構成図である。実施例２の燃料電池システムの構成図である。実施例３の燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１０，１１，１２…燃料電池システム２０…燃料電池３０…水素タンク４０…エアコンプレッサ５０…水素循環ポンプＡ１，Ａ２…減圧弁

Claims

燃料電池にエアを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備え、前記ガス供給装置は前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプであり、前記ガス駆動式ポンプは前記燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するエアコンプレッサである、燃料電池システム。
燃料電池に水素オフガス又はエアを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備え、前記ガス供給装置は前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプであり、前記ガス駆動式ポンプは前記燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するエアコンプレッサと、前記アノード極から排出された水素オフガスを前記アノード極に還流させるための水素循環ポンプであって、前記水素循環ポンプは前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスに加えて、前記エアコンプレッサから前記カソード極に供給される加圧エアによって駆動される、燃料電池システム。
燃料電池に水素オフガスを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備え、前記ガス供給装置は前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプであり、前記燃料電池のカソード極に加圧エアを供給するための電動エアコンプレッサを更に備え、前記ガス供給装置は前記アノード極から排出された水素オフガスを前記アノード極に還流させるための水素循環ポンプであり、前記水素循環ポンプは前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスに加えて、前記電動エアコンプレッサから前記カソード極に供給される加圧エアによって駆動される、燃料電池システム。
燃料電池に水素オフガス又はエアを供給するガス供給装置と、前記燃料電池のアノード極に水素ガスを供給する水素タンクを備え、前記ガス供給装置は前記水素タンクから前記アノード極へ供給される水素ガスで駆動されるガス駆動式ポンプであり、前記水素タンクから前記アノード極に供給される水素ガスを所定圧に減圧する減圧弁が配設された水素ガス供給路を更に備え、前記ガス駆動式ポンプは前記減圧弁の上流側の前記水素ガス供給路に配設されている、燃料電池システム。