特許 7563435 燃料電池システムおよび車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-30

(45)【発行日】2024-10-08

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよび車両

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04007 20160101AFI20241001BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20241001BHJP

   B60L 58/30 20190101ALI20241001BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241001BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04007

H01M8/04111

B60L58/30

H01M8/10 101

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022148081

(22)【出願日】2022-09-16

(65)【公開番号】P2024043087

(43)【公開日】2024-03-29

【審査請求日】2022-10-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宇佐美 孝忠

(72)【発明者】

【氏名】澁谷 大智

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－０２０９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００７５９７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１１８３５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
前記燃料電池の排気によりタービンを回転させて前記燃料電池の吸気を昇圧させる過給機と、
所定の熱源から吸熱し、前記タービンに供給される前記排気を昇温させるヒートポンプ装置と、
を備え、
前記ヒートポンプ装置は、冷凍車の冷凍設備を冷却するための熱交換システムの冷媒から吸熱する第５熱交換器と、前記冷媒に吸熱させる第６熱交換器と、前記排気に吸熱させる第２熱交換器と、を有している、
燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムを搭載する、
車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池が発電した電力を用いて走行する燃料電池システムおよび車両に関する。

【背景技術】

【0002】

大気中の酸素と燃料ガス（水素など）とを反応させて発電し、発電した電力を用いて駆動力を発生させる燃料電池システムが開発されている。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の排気により回転するタービンを有する過給機（ターボチャージャ）を備え、排気から動力を回収する技術が開発されている。

【0003】

例えば特許文献１には、過給機からの過給吸気を冷却して燃料電池に供給する燃料電池車両の冷却システムであって、冷却部が高温となりすぎることを防止する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２１－１４１０５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

燃料電池の種類によっては、作動温度および排気温度が１００℃前後と低いことがある。このような燃料電池を採用した場合、排気と大気との温度差が小さいため、過給機において十分な動力回収を行うことが困難なことがある。

【0006】

本開示は、燃料電池車両の過給機における動力回収効率を向上させることができる燃料電池システムおよび車両を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の排気によりタービンを回転させて前記燃料電池の吸気を昇圧させる過給機と、所定の熱源から吸熱し、前記タービンに供給される前記排気を昇温させるヒートポンプ装置と、を備え、前記ヒートポンプ装置は、冷凍車の冷凍設備を冷却するための熱交換システムの冷媒から吸熱する第５熱交換器と、前記冷媒に吸熱させる第６熱交換器と、前記排気に吸熱させる第２熱交換器と、を有している。

【0008】

本開示の一態様に係る車両は、上記の燃料電池システムを搭載する。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、燃料電池車両の過給機における動力回収効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の実施の形態に係る燃料電池システムの構成について説明するための図

【図2】変形例１に係る燃料電池システムの構成について説明するための図

【図3】変形例２に係る燃料電池システムの構成について説明するための図

【図4】変形例３に係る燃料電池システムの構成について説明するための図

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明等は省略する場合がある。

【0012】

＜燃料電池システムの構成＞
図１は、本開示の実施の形態に係る燃料電池システム１００の構成について説明するための図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、過給機２と、ヒートポンプ装置３と、インタークーラ４と、を備える。図１では、空気の流れが比較的細い実線の矢印で、ヒートポンプ装置３における冷媒の流れが比較的太い実線の矢印で、それぞれ示されている。

【0013】

燃料電池１は、圧縮された空気と、燃料ガスである水素とを反応させて発電を行う。燃料電池１は、セルを積層した燃料電池スタックを有している。本開示において、燃料電池１としては、比較的作動温度が低い、固体高分子膜形燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell）が想定されている。本実施の形態における燃料電池１の作動温度は、９０℃～１００℃程度である。燃料電池１は、圧縮空気中の酸素と水素とが反応して生成された水蒸気を含む空気を排気として排出する。本実施の形態では、排気温度が９５℃であるとして以下の説明を行う。燃料電池１に対し、空気は、吸気配管５を通って供給される。また、燃料電池１の排気は、排気配管６を通って排気される。

【0014】

燃料電池１は、冷却回路１０としてポンプ１１および冷却配管１２を有する。ポンプ１１は、冷却配管１２内に冷却水（水以外の冷媒でもよい）を循環させる。燃料電池１の反応によって生じた熱は、冷却配管１２内の冷却水により後述の第１熱交換器３１に運ばれ、ヒートポンプ装置３内の冷媒との熱交換により排熱される。

【0015】

過給機２は、燃料電池１の排気のエネルギーを用いて、燃料電池１へ供給する空気を圧縮することで、燃料電池１の排気が持つエネルギーの回収を行う。過給機２は、コンプレッサ２１と、タービン２２と、を有する。コンプレッサ２１は、吸気配管５の途中に配置される。また、タービン２２は、排気配管６の途中に配置される。

【0016】

コンプレッサ２１と、タービン２２とは、同軸上に接続されている。このため、タービン２２が燃料電池１の排気により回転すると、コンプレッサ２１も一体的に回転するので、コンプレッサ２１による空気の圧縮が行われる。これにより、排気が持つエネルギーを回収することができる。なお、コンプレッサ２１とタービン２２とを接続する軸には図示しない過給機用モータが配置され、燃料電池１が発電した電力を用いて過給機用モータが回転することによりコンプレッサ２１が空気の圧縮を行ってもよい。

【0017】

吸気配管５を通って燃料電池システム１００に供給される空気（例えば外気）は、コンプレッサ２１により圧縮されて高温となり、燃料電池１に供給される。本実施の形態では、外気温が２０℃であるとき、コンプレッサ２１により１５０℃まで昇温されるとする。吸気配管５の途中にはインタークーラ４が配置されており、１５０℃まで昇温された空気は８０℃程度まで冷却されて燃料電池１に供給される。

【0018】

ヒートポンプ装置３は、第１熱交換器３１と、第２熱交換器３２と、第１配管３３と、第２配管３４と、圧縮機３５と、膨張弁３６と、を有する。ヒートポンプ装置３の内部には、低温で蒸発可能な冷媒が循環している。

【0019】

第１熱交換器３１は、燃料電池１における反応熱を吸熱する蒸発器である。第１熱交換器３１において、燃料電池１の冷却配管１２内の冷却水と冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒が吸熱して機体となる。

【0020】

第１熱交換器３１の出口と第２熱交換器３２の入口とは、第１配管３３を介して接続されている。第１配管３３の途中には圧縮機３５が設けられている。圧縮機３５は、第１熱交換器３１で蒸発した冷媒を圧縮して第２熱交換器３２に送る。

【0021】

第２熱交換器３２は、凝縮器である。第２熱交換器３２は、排気配管６を通って排出される燃料電池１からの排気と冷媒との間で熱交換を行い、排気を昇温させる。ここで冷媒は熱を放出して液体に戻る。

【0022】

第２熱交換器の出口と第１熱交換器３１の入口とは、第２配管３４を介して接続されている。第２配管３４の途中には膨張弁３６が設けられている。膨張弁３６により冷媒は膨張し、減圧されて第１熱交換器３１に送られる。

【0023】

このように、ヒートポンプ装置３は、燃料電池１の排熱を熱源として排気配管６を通る排気を昇温させる。これにより、第２熱交換器３２を通過した燃料電池１の排気は、１００℃以上、例えば１２０℃程度まで昇温される。

【0024】

第２熱交換器３２により昇温された排気は、過給機２のタービン２２に供給される。タービン２２は、排気により回転し、同軸上に配置されたコンプレッサ２１を回転させる。タービン２２を回転させた排気は、膨張して低温低圧となる。本実施の形態では、タービン２２を通過後の排気は、０℃付近まで温度が下がることが想定される。

【0025】

＜作用、効果＞
本開示の実施の形態に係る燃料電池システム１００では、以上の構成により、過給機２のタービン２２に供給される燃料電池１の排気温度を昇温させることができる。これにより、過給機２における排気エネルギーの回収効率を増大させることができる。

【0026】

上述した実施の形態では、一例として外気温が２０℃、燃料電池１に供給される空気温度が９５℃、燃料電池１の排気温度が９５℃である場合について説明した。このような温度条件下において、本開示の燃料電池システム１００によれば、ヒートポンプ装置３の第２熱交換器３２により排気温度が１２０℃まで昇温されるので、第２熱交換器３２がない場合と比較して、排気がより大きなエネルギーを有するようになる。これにより、タービン２２においてより効率よく動力回収を行うことができる。

【0027】

また、タービン２２に供給される排気温度の上昇に伴い、タービン２２を通過後の排気温度も上昇する。燃料電池１からの排気には、発電時の化学反応により発生した水蒸気が多く含まれているため、タービン２２通過後の排気温度が低いと、排気中の水分が結露し、凍結して排気配管６内に付着してしまうことがある。本実施の形態に係る燃料電池システム１００では、タービン２２通過後の排気温度上昇により、排気中の水分が排気配管６内に凍結する事態を防止することができる。例えば第２熱交換器３２がない場合、すなわち排気温度が９５℃である場合、タービン２２通過後の排気温度が－１５℃であるとすると、本開示のように第２熱交換器３２によりタービン２２に供給される前の排気を昇温することで、タービン２２通過後の排気の温度を０℃付近まで上昇させることができる。これにより、タービン２２通過後の排気における水分凍結を防止できるので、排気中の水分を分離して除去する分離機のような装置を新たに設ける必要がなくなり、燃料電池システム１００を安価に設置することができる。

【0028】

また、燃料電池システム１００を車両に搭載することを考慮すると、燃料電池１の反応による発熱はラジエータにより排熱されるのが一般的である。しかしながら、上記のように作動温度が比較的低い（１００℃程度の）燃料電池の場合、大気との温度差が小さいため、放熱の効率が低く、ラジエータを大型化する必要がある。ラジエータの大型化は、車両のデザインや車両の搭載部品のレイアウトなどに大きな制限を与えるため、小型化が所望されている。

【0029】

本開示の実施の形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１の排熱を排気に与えているため、その分燃料電池１の放熱効率が向上しており、ラジエータを小型化する、またはなくすことが可能となる。これにより、車両のデザインや部品レイアウトの自由度を向上させることができる。

【0030】

なお、上述した実施の形態における燃料電池システム１００の各部における温度は一例であり、本開示はこれに限定されるものではない。例えば燃料電池１の作動温度がより高い場合でも、タービン２２に供給される前の排気を昇温することにより、動力回収効率の向上を見込むことができる。

【0031】

＜変形例＞
上記説明した実施の形態に係る燃料電池システム１００では、燃料電池１からの排気温度を昇温させるために、燃料電池１の反応熱を熱源としていたが、本開示はこれに限定されない。本開示の範囲には、以下のような種々の変形例が含まれうる。

【0032】

［変形例１］
図２は、変形例１に係る燃料電池システム１００Ａの構成について説明するための図である。燃料電池システム１００Ａでは、タービン２２に供給される燃料電池１の排気温度を昇温させるための熱源として、過給機２のコンプレッサ２１により高温高圧に圧縮された空気を用いている。図２では、図１に示す燃料電池システム１００と同様の構成には同じ符号を付し、異なる構成の符号に「Ａ」を付して示している。

【0033】

図２に示す燃料電池システム１００Ａでは、吸気配管５Ａの途中にヒートポンプ装置３Ａの第１熱交換器３１Ａが配置されている。第１熱交換器３１Ａは、図１に示されるインタークーラ４の代わりに、コンプレッサ２１により高温となった空気から吸熱する。第１熱交換器３１Ａは、第１配管３３Ａおよび第２配管３４Ａにより第２熱交換器３２Ａと接続されている。

【0034】

このような構成により、第１熱交換器３１Ａは、コンプレッサ２１で高温となった空気（例えば、１５０℃）から吸熱し、その熱を第２熱交換器３２Ａにおいてタービン２２に供給される前の燃料電池１の排気に吸熱させる。これにより、上述した実施の形態と同様に、タービン２２に供給される前の排気の温度が上昇し（例えば、１２０℃）、過給機２における動力回収効率を向上させることができるとともに、タービン２２での動力回収後の排気における水分凍結を防止することができる。

【0035】

［変形例２］
図３は、変形例２に係る燃料電池システム１００Ｂの構成について説明するための図である。燃料電池システム１００Ｂでは、燃料電池１からの排気温度を昇温させるための熱源として、燃料電池１の反応熱と過給機２のコンプレッサ２１により圧縮され高温となった空気の両方を用いている。

【0036】

図３に示すように、燃料電池システム１００Ｂは、図１と同様のヒートポンプ装置３に加えて、吸気配管５Ｂの途中に設けられた第３熱交換器７１Ｂと排気配管６Ｂの途中に設けられた第４熱交換器７２Ｂとを有する第２ヒートポンプ装置７Ｂを備える。

【0037】

外気は過給機２のコンプレッサ２１により圧縮されて高温高圧となった後、第３熱交換器７１Ｂにおいて吸熱される。第２ヒートポンプ装置７Ｂの第３熱交換器７１Ｂと第４熱交換器７２Ｂとを接続する配管内にはヒートポンプ装置３と同様の冷媒が封入されており、第３熱交換器７１Ｂで吸収された熱は第４熱交換器７２Ｂにてタービン２２に供給される前の燃料電池１の排気に吸熱される。

【0038】

一方で、上述した実施の形態と同様に、ヒートポンプ装置３の第２熱交換器３２により、燃料電池１の反応熱もタービン２２に供給される前の燃料電池１の排気に吸熱される。

【0039】

このような構成により、タービン２２に供給される前の排気の温度が上昇し、過給機２における動力回収効率を向上させることができるとともに、タービン２２での動力回収後の排気における水分凍結を防止することができる。

【0040】

なお、図３に示す例では、排気配管６Ｂにおいて、ヒートポンプ装置３の第２熱交換器３２よりも第２ヒートポンプ装置７Ｂの第４熱交換器７２Ｂの方が燃料電池１に近い位置に配置されている。本開示はこのような配置に限定されるものではなく、例えば第４熱交換器７２Ｂよりも第２熱交換器３２の方が燃料電池１に近い位置に配置されていてもよい。このような場合でも、図３に示す例と同様に、過給機２における動力回収効率を向上させることができるとともに、タービン２２での動力回収後の排気における水分凍結を防止することができる。

【0041】

［変形例３］
図４は、変形例３に係る燃料電池システム１００Ｃの構成について説明するための図である。変形例３では、燃料電池システム１００がトラックなどの車両、特に冷凍車のように他の熱交換システムを有する車両に搭載されることが想定されている。燃料電池システム１００Ｃでは、燃料電池１からの排気温度を昇温させるための熱源として、車両に搭載されており燃料電池１から独立した熱交換システム２００を用いている。

【0042】

熱交換システム２００は、第５熱交換器２０１と第６熱交換器２０２とを有する。第５熱交換器２０１と第６熱交換器２０２とは、配管２０３，２０４により互いに接続されている。配管２０３の途中には冷媒を循環させるポンプ２０５が設置されている。また、第５熱交換器２０１は、図１におけるヒートポンプ装置３の第１熱交換器３１の代わりに、ヒートポンプ装置３Ｃにおいて、第１配管３３Ｃおよび第２配管３４Ｃを介して第２熱交換器３２Ｃと接続されている。

【0043】

このような構成により、第６熱交換器２０２で吸収された熱が、第５熱交換器２０１においてヒートポンプ装置３Ｃの冷媒に吸熱され、第２熱交換器３２Ｃにおいてタービン２２に供給される前の燃料電池１の排気に与えられる。これにより、上述した実施の形態と同様に、タービン２２に供給される前の排気温度を上昇させることができるとともに、タービン２２での動力回収後の排気における水分凍結を防止することができる。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本開示は、過給機を有する燃料電池システムに有用である。

【符号の説明】

【0045】

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 燃料電池システム
１ 燃料電池
１０ 冷却回路
１１ ポンプ
１２ 冷却配管
２ 過給機
２１ コンプレッサ
２２ タービン
３，３Ａ，３Ｂ ヒートポンプ装置
３１，３１Ａ 第１熱交換器
３２，３２Ａ，３２Ｃ 第２熱交換器
３３，３３Ａ，３３Ｃ 第１配管
３４，３４Ａ，３４Ｃ 第２配管
３５ 圧縮機
３６ 膨張弁
４ インタークーラ
５，５Ａ，５Ｂ 吸気配管
６，６Ｂ 排気配管
７Ｂ 第２ヒートポンプ装置
７１Ｂ 第３熱交換器
７２Ｂ 第４熱交換器
２００ 熱交換システム
２０１ 第５熱交換器
２０２ 第６熱交換器
２０３ 配管
２０４ 配管
２０５ ポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】