特開 2024-176806 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176806

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04029 20160101AFI20241212BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241212BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20241212BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04029

H01M8/04 Z

H01M8/04302

H01M8/04858

H01M8/04 J

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095616

(22)【出願日】2023-06-09

(71)【出願人】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】釣 浩一

(72)【発明者】

【氏名】市古 勇太

(72)【発明者】

【氏名】辻村 尭史

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AB04

5H127AB29

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127CC07

5H127CC17

5H127DA01

5H127DC96

5H127EE04

5H127EE16

(57)【要約】

【課題】簡単な構成の燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスを放出可能に貯蔵するタンク２１を有する燃料ガス供給部２０と、酸化剤ガスを圧送するエアポンプを有する酸化剤ガス供給部と、燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタック４０と、燃料電池スタック４０において発電された電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５０と、燃料電池スタック４０を冷却する冷媒が循環する循環回路６３を有する熱交換装置６２と、燃料ガス供給部２０による燃料ガスの供給及び酸化剤ガス供給部による酸化剤ガスの供給を制御することで燃料電池スタック４０における発電を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、循環回路６３の途中に、タンク２１、燃料電池スタック４０、及びＤＣ／ＤＣコンバータ５０が設けられている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスを放出可能に貯蔵するタンクを有する燃料ガス供給部と、
酸化剤ガスを圧送するエアポンプを有する酸化剤ガス供給部と、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおいて発電された電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する循環回路を有する熱交換装置と、
前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給及び前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給を制御することで前記燃料電池スタックにおける発電を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
前記循環回路の途中に、前記タンク、前記燃料電池スタック、及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられている、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池スタックにおいて発電された電力を充電するバッテリを備え、
前記循環回路の途中には、通電により発熱するヒータが設けられ、
前記制御装置は、前記燃料電池システムの始動時に、前記バッテリから前記ヒータに対して電力を供給する、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記ヒータは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの素子である、
請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

移動体に搭載されている、
請求項１から請求項３のいずれか一項に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には、燃料電池システムが開示されている。燃料電池システムは、燃料電池、燃料ガス供給系、酸化ガス供給系、及び冷却系を備える。
燃料ガス供給系は、水素ガスタンクを備える。水素ガスタンクは、燃料ガスである水素を燃料電池に供給するために水素ガスを高圧で貯蔵する水素貯蔵部や、水素貯蔵合金を用いた水素貯蔵部である。

【0003】

酸化ガス供給系は、酸化ガスである酸素を含む空気を燃料電池に供給する酸化ガスブロワーを備える。
冷却系は、熱交換器及び冷却液用ポンプを備える。燃料電池と熱交換器とは、冷却液配管を介して接続されている。冷却液配管には、冷却液を循環させる冷却用ポンプが配置されている。冷却液によって、燃料電池が冷却される。

【0004】

また、燃料電池には、電力制御部を介して駆動用モータが接続されている。電力制御部は、燃料電池によって発電された電力の電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－１５７５１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

水素ガスタンクから水素ガスが放出されることに伴って、水素ガスタンク内の圧力が低下するとともに温度が低下する。このため、水素ガスタンクから放出される水素ガスの圧力が低下することで水素ガスが放出されにくくなる。そこで、水素ガスタンクを加熱する加熱装置を別途設けることが考えられる。

【0007】

また、ＤＣ／ＤＣコンバータへの通電に伴ってジュール熱が生じる。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータの作動性が低下する。そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータを冷却する冷却装置を別途設けることが考えられる。

【0008】

これらの対策を実施すると、燃料電池システムの構成が複雑になるという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するための燃料電池システムは、燃料ガスを放出可能に貯蔵するタンクを有する燃料ガス供給部と、酸化剤ガスを圧送するエアポンプを有する酸化剤ガス供給部と、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにおいて発電された電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記燃料電池スタックを冷却する冷媒が循環する循環回路を有する熱交換装置と、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給及び前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給を制御することで前記燃料電池スタックにおける発電を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、前記循環回路の途中に、前記タンク、前記燃料電池スタック、及び前記ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられている。

【0010】

上記構成によれば、循環回路を循環する冷媒との熱交換により燃料電池スタック及びＤＣ／ＤＣコンバータが冷却される。このとき、冷媒は、燃料電池スタック及びＤＣ／ＤＣコンバータとの熱交換によって加熱される。こうして加熱された冷媒が、循環回路の途中に設けられたタンクを通過する際に、タンクとの間で熱交換することによりタンクが加熱される。これにより、燃料ガスの放出に伴ってタンクの温度が低下することが抑制されるので、タンクから放出される燃料ガスの圧力が低下することを抑制できる。このように、１つの熱交換装置によって、燃料電池スタックの冷却、ＤＣ／ＤＣコンバータの冷却、及びタンクの加熱を行うことができる。したがって、燃料電池システムの構成を簡単にできる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、一実施形態に係る燃料電池システムが搭載された自転車の側面図である。

【図2】図２は、同実施形態に係る燃料電池システムの回路図である。

【図3】図３は、同実施形態に係る燃料電池システムの循環回路を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図１～図３を参照して、一実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池システムは、自転車本体１０に搭載されることで電動アシスト自転車を構成する。

【0013】

＜自転車本体１０＞
まず、自転車本体１０の構造について簡単に説明する。
自転車本体１０は、車体フレーム１１、ハンドル１２、サドル１３、前輪１４、後輪１５、駆動部１６、及びハウジング１８を備える。

【0014】

車体フレーム１１は、水平面上において自転車本体１０が直立している姿勢での上下方向に延びる前フレーム１１ａと、前フレーム１１ａの後面から後方に延びるダウンフレーム１１ｂと、ダウンフレーム１１ｂの後端から上方に延びる立フレーム１１ｃとを有する。また、車体フレーム１１は、ダウンフレーム１１ｂの後端から後方に延びる下フレーム１１ｅと、下フレーム１１ｅの後端から立フレーム１１ｃの上方部分に向かって延びる上フレーム１１ｄとを有する。

【0015】

前フレーム１１ａには、前フレーム１１ａの軸線を中心にフォーク１９が回転可能に支持されている。フォーク１９の下端には、前輪１４が回転可能に支持されている。また、フォーク１９の上端は、前フレーム１１ａの上端から突出している。フォーク１９の上端には、ハンドル１２が連結されている。

【0016】

立フレーム１１ｃの上端には、サドル１３が連結されている。立フレーム１１ｃには、ホルダ２２が連結されている。
下フレーム１１ｅの後端には、後輪１５が回転可能に支持されている。

【0017】

駆動部１６は、ダウンフレーム１１ｂと下フレーム１１ｅとの連結部分の下方に取り付けられている。駆動部１６は、図示しない周知のクランク、スプロケット、及びチェーンを介して後輪１５を回転駆動する一対のペダル１７と、ペダル１７による後輪１５の回転駆動をアシストするモータ６６とを備える。

【0018】

ハウジング１８は、立フレーム１１ｃ、上フレーム１１ｄ、及び下フレーム１１ｅによって囲まれる部分に取り付けられている。
ハウジング１８の内部には、エアポンプ３１、燃料電池スタック４０、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、バッテリ６０、ウォータポンプ６４、インバータ６５、制御装置６７、及び電源６８が収容されている。

【0019】

＜燃料電池システム＞
次に、燃料電池システムについて説明する。
図２に示すように、燃料電池システムは、燃料ガス供給部２０と、酸化剤ガス供給部３０と、燃料電池スタック４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０と、スイッチ６１と、熱交換装置６２と、制御装置６７と、電源６８とを備える。

【0020】

（燃料ガス供給部２０）
図２及び図３に示すように、燃料ガス供給部２０は、燃料電池スタック４０に燃料ガスとしての水素を供給する。燃料ガス供給部２０は、水素を放出可能に貯蔵するキャニスタ２１と、キャニスタ２１を収容するホルダ２２と、第１電磁弁２４と、第２電磁弁２５とを備える。

【0021】

図３に示すように、ホルダ２２は、キャニスタ２１を取り外し可能に収容する収容部２３を有する。
図２に示すように、キャニスタ２１は、燃料ガス供給配管を介して燃料電池スタック４０に接続されている。第１電磁弁２４は、燃料ガス供給配管の途中に設けられている。第１電磁弁２４が開閉駆動されることによって、キャニスタ２１から燃料電池スタック４０への水素の供給態様が制御される。

【0022】

第２電磁弁２５は、燃料電池スタック４０内の水素のオフガスを排出する燃料ガス排出配管の途中に設けられている。第２電磁弁２５が開閉駆動されることによって、燃料電池スタック４０からの水素の排出態様が制御される。

【0023】

（酸化剤ガス供給部３０）
図２に示すように、酸化剤ガス供給部３０は、酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を燃料電池スタック４０に圧送するエアポンプ３１と、第３電磁弁３２と、第４電磁弁３３とを備える。

【0024】

エアポンプ３１は、酸化剤ガス供給配管を介して燃料電池スタック４０に接続されている。第３電磁弁３２は、酸化剤ガス供給配管の途中に設けられている。第３電磁弁３２が開閉駆動されることによって、エアポンプ３１から燃料電池スタック４０への空気の供給態様が制御される。

【0025】

第４電磁弁３３は、燃料電池スタック４０内の空気のオフガスを排出する酸化剤ガス排出配管の途中に設けられている。第４電磁弁３３が開閉駆動されることによって、燃料電池スタック４０からの空気の排出態様が制御される。

【0026】

（燃料電池スタック４０）
燃料電池スタック４０は、燃料ガス供給部２０から供給される水素と、酸化剤ガス供給部３０から供給される酸素との電気化学反応を利用して発電を行う。

【0027】

図３に示すように、燃料電池スタック４０は、発電部を有する板状の単セル４１を複数積層してなる積層体４２と、一対のエンドプレート４３と、一対の絶縁プレート４４と、一対のターミナルプレート４５とを備える。

【0028】

（ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、スイッチ６１）
図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、燃料電池スタック４０において発電された電力の電圧を変換するものであり、燃料電池スタック４０の端子に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０には、バッテリ６０、インバータ６５、及びモータ６６が順に電気的に接続されている。

【0029】

スイッチ６１は、燃料電池スタック４０とＤＣ／ＤＣコンバータ５０との間と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０とバッテリ６０との間を電気的に接続するオン状態と、接続しないオフ状態とに切り替え可能に構成されている。

【0030】

図３に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、基板５２と、基板５２上に固定された素子５１とを備える。
図２に示すように、バッテリ６０は、二次電池であり、燃料電池スタック４０において発電された電力を充電するとともに、インバータ６５に対して直流電流を供給する。バッテリ６０は、例えばリチウムイオン二次電池である。

【0031】

インバータ６５は、バッテリ６０から供給される直流電流を交流電流に変換する。
（制御装置６７及び電源６８）
図２に示すように、制御装置６７は、第１電磁弁２４、第２電磁弁２５、第３電磁弁３２、及び第４電磁弁３３の開閉駆動を制御する。すなわち、制御装置６７は、燃料ガス供給部２０による水素の供給及び酸化剤ガス供給部３０による空気の供給を制御することで燃料電池スタック４０における発電を制御する。制御装置６７は、スイッチ６１、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、及びインバータ６５を制御する。

【0032】

電源６８は、エアポンプ３１、ウォータポンプ６４、及び制御装置６７等に電力を供給する。
（熱交換装置６２）
図３に示すように、熱交換装置６２は、燃料電池スタック４０を冷却する冷媒が循環する循環回路６３を有する。

【0033】

循環回路６３は、第１内部流路２６、第２内部流路４８、及び第３内部流路５４を備える。
第１内部流路２６は、ホルダ２２の内部に設けられている。

【0034】

第２内部流路４８は、燃料電池スタック４０の内部に設けられている。詳しくは、第２内部流路４８は、一方のエンドプレート４３、一対の絶縁プレート４４、一対のターミナルプレート４５、及び積層体４２を貫通している。上記一方のエンドプレート４３には、第２内部流路４８の入口となる冷媒供給孔４６と、出口となる冷媒排出孔４７が設けられている。

【0035】

第３内部流路５４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を冷却する水冷式のヒートシンク５５の内部に設けられている。ヒートシンク５５の外面には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の基板５２が固定されている。第３内部流路５４の内面には、複数のフィン５３が突設されている。

【0036】

循環回路６３は、第１内部流路２６と第２内部流路４８とを接続する第１配管７１、第２内部流路４８と第３内部流路５４とを接続する第２配管７２、及び第３内部流路５４とウォータポンプ６４とを接続する第３配管７３を備える。また、循環回路６３は、ウォータポンプ６４と第１内部流路２６とを接続する第４配管７４を備える。

【0037】

すなわち、循環回路６３の途中には、ウォータポンプ６４、キャニスタ２１、燃料電池スタック４０、及び素子５１が設けられている。
なお、本実施形態における自転車本体１０が本発明に係る移動体に相当する。また、本実施形態におけるキャニスタ２１が「課題を解決するための手段」に記載のタンクに対応する。

【0038】

次に、本実施形態の作用について説明する。
循環回路６３を循環する冷媒との熱交換により燃料電池スタック４０及びＤＣ／ＤＣコンバータ５０が冷却される。このとき、冷媒は、燃料電池スタック４０及びＤＣ／ＤＣコンバータ５０との熱交換によって加熱される。こうして加熱された冷媒が、循環回路６３の途中に設けられたキャニスタ２１を通過する際に、キャニスタ２１との間で熱交換することによりキャニスタ２１が加熱される。これにより、水素の放出に伴ってキャニスタ２１の温度が低下することが抑制されるので、キャニスタ２１から放出される水素の圧力が低下することを抑制できる。

【0039】

次に、本実施形態の効果について説明する。
（１）循環回路６３の途中には、キャニスタ２１、燃料電池スタック４０、及びＤＣ／ＤＣコンバータ５０が設けられている。

【0040】

こうした構成によれば、上記作用を奏するため、１つの熱交換装置６２によって、燃料電池スタック４０の冷却、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の冷却、及びキャニスタ２１の加熱を行うことができる。したがって、燃料電池システムの構成を簡単にできる。

【0041】

（２）燃料電池システムは、燃料電池スタック４０において発電された電力を充電するバッテリ６０を備える。循環回路６３の途中には、通電により発熱するヒータである素子５１が設けられている。制御装置６７は、燃料電池システムの始動時に、スイッチ６１がオン状態とされることでバッテリ６０からヒータである素子５１に対して電力を供給する。

【0042】

例えば燃料電池システムの低温始動時においては、燃料電池スタック４０内に残留している生成水が凍結していたり、キャニスタ２１から放出される水素の圧力が低下したりすることで、燃料電池スタック４０における発電効率が低下するおそれがある。

【0043】

この点、上記構成によれば、燃料電池システムの始動時に素子５１が発熱するため、素子５１と冷媒との間での熱交換によって冷媒が加熱される。そして、加熱された冷媒が循環回路６３を通じて燃料電池スタック４０及びキャニスタ２１を通過する際に燃料電池スタック４０及びキャニスタ２１との間で熱交換することで燃料電池スタック４０及びキャニスタ２１が加熱される。したがって、低温始動時における発電効率の低下を抑制できる。

【0044】

（３）ヒータが、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の素子５１である。
こうした構成によれば、専用のヒータを設ける必要がない。したがって、燃料電池システムの構成を簡単にできる。

【0045】

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0046】

・ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の素子５１をヒータとして利用する代わりに、専用のヒータを設けてもよい。
・ヒータを省略してもよい。

【0047】

・燃料電池システムが搭載される移動体は、電動アシスト自転車の自転車本体に限定されない。移動体は、例えば、自動車などでもよい。また、燃料電池システムを自動車に搭載する場合、キャニスタ２１の代わりに自動車に固定されるタンクを用いてもよい。

【符号の説明】

【0048】

１０…自転車本体（移動体）
１１…車体フレーム
１１ａ…前フレーム
１１ｂ…ダウンフレーム
１１ｃ…立フレーム
１１ｄ…上フレーム
１１ｅ…下フレーム
１２…ハンドル
１３…サドル
１４…前輪
１５…後輪
１６…駆動部
１７…ペダル
１８…ハウジング
１９…フォーク
２０…燃料ガス供給部
２１…キャニスタ（タンク）
２２…ホルダ
２３…収容部
２４…第１電磁弁
２５…第２電磁弁
２６…第１内部流路
３０…酸化剤ガス供給部
３１…エアポンプ
３２…第３電磁弁
３３…第４電磁弁
４０…燃料電池スタック
４１…単セル
４２…積層体
４３…エンドプレート
４４…絶縁プレート
４５…ターミナルプレート
４６…冷媒供給孔
４７…冷媒排出孔
４８…第２内部流路
５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５１…素子（ヒータ）
５２…基板
５３…フィン
５４…第３内部流路
５５…ヒートシンク
６０…バッテリ
６１…スイッチ
６２…熱交換装置
６３…循環回路
６４…ウォータポンプ
６５…インバータ
６６…モータ
６７…制御装置
６８…電源
７１…第１配管
７２…第２配管
７３…第３配管
７４…第４配管

【図1】

【図2】

【図3】