JP2020036425A - 燃料電池を搭載した移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池が搭載された移動体において、燃料電池の生成水を有効に利用する。【解決手段】燃料電池を搭載した移動体は、燃料電池の発電に伴う生成水を貯留するタンクと、移動体の客室内に設けられた吹き出し口と、タンクに貯留された生成水を、吹き出し口を介して客室内に向かって噴霧する超音波加湿装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を搭載した移動体に関する。

特許文献１には、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池の発電により生成された水をタンク内に一時的に貯留した後、車両の外部に排出する技術が開示されている。

特開２００８−２３５２０３号公報

従来から燃料電池の生成水を有効に利用したいという要望があった。このような課題は、車両に限らず、船舶、飛行機等の種々の移動体においても共通する。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池を搭載した移動体が提供される。この移動体は、前記燃料電池の発電に伴う生成水を貯留するタンクと、前記移動体の客室内に設けられた吹き出し口と、前記タンクに貯留された前記生成水を、前記吹き出し口を介して前記客室内に向かって噴霧する超音波加湿装置と、を備える。
この形態の移動体によれば、燃料電池の発電に伴う生成水がタンクに貯留され、タンクに貯留された生成水が、吹き出し口を介して超音波加湿装置から客室内に噴霧される。したがって、燃料電池の生成水を有効に利用できる。また、燃料電池の生成水は、純水、あるいは、純水に近い水であるので、超音波式の加湿装置を用いて生成水を噴霧しても、客室内に雑菌等が噴霧されることを抑制でき、客室内が不衛生となることを抑制できる。

本開示は、種々の実施形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両、燃料電池システム、移動体における加湿制御方法等の形態で実現できる。

燃料電池を搭載した車両の概略構成を示す断面図。 客室内の様子を模式的に示す説明図。 燃料電池システムの構成を示す概略図。 加湿処理の処理手順を示すフローチャート。 燃料電池バスを模式的に示す説明図。

Ａ．実施形態：
Ａ１．車両の構成：
図１は、本開示の一実施形態における燃料電池１０を搭載した車両５００の概略構成を示す断面図である。図１において、Ｘ軸は、車両５００の進行方向と平行であり、＋Ｘ方向は車両５００の前進方向と平行な方向に、−Ｘ方向は車両５００の後退方向と平行な方向に、それぞれ相当する。Ｙ軸は、車両５００の幅方向と平行である。Ｚ軸は、鉛直方向と平行である。Ｘ軸およびＹ軸は、それぞれ、水平方向と平行である。図１では、車両５００の進行方向に沿った断面を示している。

車両５００は、燃料電池１０の発電した電力によって駆動モータＭを駆動して一対の後輪ＲＷを駆動させることにより走行する。車両５００の前方側には、一対の前輪ＦＷに挟まれた領域を含む空間として、フロントルーム５１１が形成されている。フロントルーム５１１の後方側には、一対の前輪ＦＷと一対の後輪ＲＷとに挟まれた車両５００の進行方向と平行な方向に延びる空間として、客室５１２が形成されている。

フロントルーム５１１には、燃料電池１０と、燃料電池１０の発電に伴う生成水を貯留する生成水タンク７２と、超音波加湿装置９０とが載置されている。客室５１２には、吹き出し口９１が設けられている。客室５１２内の前座席シートの下の床には、水素ガスタンク５２が、車両５００の進行方向に対して自身の長手方向が平行となるように配置されている。燃料電池１０、生成水タンク７２、超音波加湿装置９０、吹き出し口９１および水素ガスタンク５２は、いずれも後述の燃料電池システム１００に接続されている。燃料電池１０、生成水タンク７２、超音波加湿装置９０、吹き出し口９１、水素ガスタンク５２、および燃料電池システム１００についての詳細な説明は、後述する。

本実施形態では、車両５００において後述の加湿処理が実行されることにより、燃料電池１０の生成水が超音波加湿装置９０によって微細な霧状にされて、吹き出し口９１を介して客室５１２内に噴霧される。

図２は、客室５１２内の様子を模式的に示す説明図である。図２では、車両５００の進行方向の後方から前方を見たときの様子を示している。図２に示すように、車両５００のインストルメントパネルには、吹き出し口９１と、加湿ボタン９５とが設けられている。吹き出し口９１は、運転席の前と、助手席の前とにそれぞれ設けられ、吹き出し口９１からはミストｍｓが噴霧されている。ミストｍｓは、粒径がマイクロメートルオーダの微細な水滴による霧である。したがって、図１に示すように、白煙のような霧が噴霧される。もとよりミストｍｓは、体積に対する表面積の割合が高く、その一部は気化して水蒸気となる。したがって、吹き出す空気自体の湿度は高くなっている。

図２に示すように、加湿ボタン９５は、インストルメントパネルの中央付近に設けられている。加湿ボタン９５は、超音波加湿装置９０のオンとオフとを切り替えるボタンであり、車両５００の利用者によって操作される。

Ａ２．燃料電池システムの構成：
図３は、燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、車両５００に搭載され、運転者からの要求に応じて車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化剤ガス供給排出部３０と、燃料ガス供給排出部５０と、制御装置２０とを備える。燃料電池システム１００は、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、二次電池８２とを備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素ガスおよび空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層および一対のセパレータとを有する。燃料電池１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０を介して二次電池８２または負荷８３に供給される。

二次電池８２は、燃料電池１０により発電された電力を蓄電し、燃料電池１０とともに燃料電池システム１００における電力の供給源として機能する。二次電池８２の電力は、図示しないトラクションモータ等の負荷８３や、後述のエアコンプレッサ３３、水素ポンプ６６、各種弁に、供給される。本実施形態において、二次電池８２は、充放電可能なリチウムイオン電池によって構成されている。なお、二次電池８２は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の他の任意の種類の電池により構成されてもよい。

酸化剤ガス供給排出部３０は、酸化剤ガスとしての空気を外気から取り入れて燃料電池１０に供給すると共に、酸化オフガスを燃料電池１０から外部へと排出する。酸化剤ガス供給排出部３０は、酸化剤ガス配管３１と、エアフローメータ３２と、エアコンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、第１圧力計３５と、酸化オフガス配管４１と、第１調圧弁４２とを備える。

酸化剤ガス配管３１は、燃料電池１０の内部に形成された酸化剤ガス供給マニホールドと連通し、外部から取り込んだ空気を燃料電池１０に供給する。エアフローメータ３２は、酸化剤ガス配管３１に設けられ、取り込んだ空気の流量を測定する。エアコンプレッサ３３は、エアフローメータ３２と酸化オフガス配管４１との接続部位との間に設けられ、制御装置２０からの制御信号に応じて、外気から取り入れた空気を圧縮して酸素を燃料電池１０に供給する。第１開閉弁３４は、エアコンプレッサ３３と燃料電池１０との間に設けられ、エアコンプレッサ３３から燃料電池１０への空気の供給の実行および停止を行う。第１圧力計３５は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口の圧力を測定し、制御装置２０に送信する。

酸化オフガス配管４１は、燃料電池１０の内部に形成された酸化オフガス排出マニホールドと連通する。酸化オフガス配管４１は、各セル１１から排出される酸化オフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。酸化オフガスには、空気の他に、燃料電池１０の発電により生じた生成水が含まれる。第１調圧弁４２は、制御装置２０からの制御信号に応じて、酸化オフガス配管４１における酸化オフガスの圧力を調整する。

燃料ガス供給排出部５０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０に供給すると共に、燃料オフガスを燃料電池１０から外部へと排出する。燃料ガス供給排出部５０は、燃料ガス配管５１と、水素ガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２調圧弁５４と、インジェクタ５５と、第２圧力計５６と、燃料オフガス配管６１と、第１気液分離器６２と、排気排水弁６３と、接続配管６４と、循環配管６５と、水素ポンプ６６とを備える。

燃料ガス配管５１は、水素ガスタンク５２と燃料電池１０とを接続し、水素ガスタンク５２内の水素ガスおよび水素ポンプ６６から送られる余剰水素ガスを燃料電池１０に供給する。第２開閉弁５３、第２調圧弁５４、インジェクタ５５、および第２圧力計５６は、この順序で水素ガスタンク５２から燃料電池１０に向かって燃料ガス配管５１に配置されている。

第２開閉弁５３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、水素ガスタンク５２からインジェクタ５５への水素ガスの流入を制御する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２調圧弁５４は、制御装置２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクタ５５は、制御装置２０からの制御信号に応じて、制御装置２０が設定した駆動周期および開閉時間に応じて弁を開閉することにより、水素ガスを燃料電池１０に供給すると共にその供給量を調整する。第２圧力計５６は、燃料電池１０の水素ガス入口の圧力を測定し、制御装置２０に送信する。

燃料オフガス配管６１は、燃料電池１０の内部に形成された燃料オフガス排出マニホールドと第１気液分離器６２とを接続する。燃料オフガス配管６１は、燃料電池１０から燃料オフガスを排出するための流路である。燃料オフガスには、発電反応に用いられなかった水素ガスや窒素ガス、燃料電池１０の発電により生じた生成水が含まれる。燃料オフガス配管６１は、燃料オフガスを第１気液分離器６２へと誘導する。

第１気液分離器６２は、燃料オフガス配管６１と循環配管６５との間に接続されている。第１気液分離器６２は、燃料オフガス配管６１内の燃料オフガスに含まれる水素ガスと水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管６５へ流入させる。

排気排水弁６３は、第１気液分離器６２の下部に設けられた開閉弁である。排気排水弁６３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、第１気液分離器６２により分離された水および燃料オフガスに含まれている窒素ガス等の不純物ガスを接続配管６４へ排出する。

接続配管６４は、排気排水弁６３の下部と、酸化オフガス配管４１とを接続する。接続配管６４は、酸化オフガス配管４１と連通する。接続配管６４は、排気排水弁６３から排出された水および燃料オフガスを酸化オフガス配管４１へ排出する。

循環配管６５は、インジェクタ５５よりも下流側において燃料ガス配管５１と接続している。循環配管６５には、制御装置２０からの制御信号に応じて駆動される水素ポンプ６６が配置されている。水素ポンプ６６は、第１気液分離器６２において分離されたガス（水素ガスを含むガス）を燃料ガス配管５１に送り出す。燃料電池システム１００では、燃料オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素ガスの利用効率を向上させている。

酸化オフガス配管４１における接続配管６４との接続部位よりも下流側に、第２気液分離器４３が設けられている。第２気液分離器４３は、酸化オフガス配管４１を流れる酸化オフガスおよび燃料オフガスと、両オフガスに含まれる生成水と、を分離する。第２気液分離器４３によって生成水と分離された酸化オフガスおよび燃料オフガスは、排気排水配管４５を介して燃料電池システム１００の外部（大気）へ排出される。他方、第２気液分離器４３によって酸化オフガスおよび燃料オフガスと分離された生成水は、第３開閉弁４４を介して生成水流路７１へ排出される。

第３開閉弁４４は、第２気液分離器４３の下部に設けられた開閉弁である。第３開閉弁４４は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、第２気液分離器４３により分離された生成水を生成水流路７１へ排出する。

生成水流路７１は、第２気液分離器４３と超音波加湿装置９０とを接続し、第２気液分離器４３によって分離された生成水を超音波加湿装置９０に供給する。生成水流路７１には、生成水タンク７２と、生成水ポンプ７５とが設けられている。

生成水タンク７２は、第２気液分離器４３によって分離された生成水を貯留する。生成水タンク７２は、貯留量検出センサ７３と、排水弁７４とを備える。貯留量検出センサ７３は、生成水タンク７２内の水位を検出することにより、生成水タンク７２に貯留された水量（以下、「貯留量」と呼ぶ）を取得して、制御装置２０に送信する。取得された貯留量が、生成水タンク７２の許容貯留量に達している、あるいは、許容貯留量にある程度マージンを持たせた閾値を超えている場合には、制御装置２０は、生成水タンク７２への生成水の流入を制限する。具体的には、制御装置２０は、第２気液分離器４３において、生成水を、排気排水配管４５を介して燃料電池システム１００の外部（大気）へ排出させる。

排水弁７４は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、生成水タンク７２に貯留された生成水を超音波加湿装置９０に排出する。本実施形態において、排水弁７４は、予め定められた量の生成水が貯留された場合に、開かれる。予め定められた貯留量は、実験等により予め算出され、メモリ２５に格納されている。生成水ポンプ７５は、生成水流路７１を介して、生成水タンク７２から排出された生成水を超音波加湿装置９０に流入させる。

超音波加湿装置９０は、車両５００のインストルメントパネルの内部に配置され、制御装置２０からの制御信号に応じて客室５１２内を加湿する。超音波加湿装置９０は、超音波式の加湿装置であり、超音波の振動を発生させて生成水を極めて細かな水滴（霧）に分解し、かかる水滴を吹き出し口９１を通じて客室５１２内の空気中に排出する。

超音波加湿装置９０は、生成水タンク７２から流入した生成水が張られた水槽と、水槽の底面に配置された超音波振動子と、発生させた霧を広範囲に拡散させる送風機とを備える。超音波加湿装置９０は、超音波振動子に高周波の交流電圧を加えることによって、超音波の振動エネルギーを発生させる。そして、振動エネルギーが水槽の水面に伝わることによって、水面の一部が隆起し、微細な霧が発生する。発生した微細な霧は、送風機を介して吹き出し口９１に導かれる。

吹き出し口９１は、上述のように車両５００のインストルメントパネルに設けられている。吹き出し口９１は、超音波加湿装置９０から送出される霧（ミスト）を客室５１２内に向かって噴霧する。なお、吹き出し口９１として、車両５００の空調装置用の吹き出し口を用いてもよい。

以上説明した燃料電池１０は、上述の構成によって供給される水素ガスおよび空気を用いて発電する。発電した電力は、図示しないインバータを介して、図示しない車両走行用の駆動モータＭに供給される。燃料電池１０から駆動モータＭに電力を供給する電源ラインには、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０の高圧側が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、制御装置２０の制御に応じて、燃料電池１０の出力電圧を昇圧する。燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ８０との間には、燃料電池１０の電流を測定する電流センサ８５が設けられている。電流センサ８５は、燃料電池１０の出力電流値を測定する。

制御装置２０は、燃料電池システム１００を全体制御する。制御装置２０は、ＣＰＵ２１と、メモリ２５とを備えている。ＣＰＵ２１は、メモリ２５に予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、制御部２２として機能する。

制御部２２は、エアコンプレッサ３３や水素ポンプ６６等の制御装置２０と電気的に接続されている各構成要素の駆動および停止を制御することにより、燃料電池１０および制御装置２０の運転を制御する。本実施形態において、制御部２２は、超音波加湿装置９０を制御して、後述の加湿処理を実行する。

Ａ３．加湿処理：
図４は、加湿処理の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、車両５００全体の制御をする上位のＥＣＵ（Electronic Control Unit）からイグニッションスイッチがオンにされたことを示す信号が送信され、かかる信号が制御装置２０において受信されると、図４に示す加湿処理が実行される。加湿処理は、イグニッションスイッチがオンからオフに切り替えられるまでの間、所定のインターバルで繰り返し実行される。所定のインターバルは、例えば、１０秒としてもよい。

まず、制御部２２は、加湿ボタン９５がオンであるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。加湿ボタン９５がオンであると判定された場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、制御部２２は、貯留量検出センサ７３から生成水タンク７２の水量を取得する（ステップＳ１１０）。次に、制御部２２は、貯留量が所定量以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１５）。貯留量が所定量以上であると判定された場合（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、制御部２２は、客室５１２内に向かってミストｍｓを噴霧する（ステップＳ１２０）。

ステップＳ１２０の実行後、または、上述のステップＳ１０５において加湿ボタン９５がオンでないと判定された場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、上述のステップＳ１１５において貯留量が所定量未満であると判定された場合（ステップＳ１１５：ＮＯ）、制御部２２は、加湿処理を終了し、所定のインターバルが経過した後、再び加湿処理を開始して、上述のステップＳ１０５を実行する。

以上の構成を有する本実施形態の車両５００によれば、燃料電池１０の発電に伴う生成水が生成水タンク７２に貯留され、生成水タンク７２に貯留された生成水が超音波加湿装置９０からミストｍｓとして客室５１２内に噴霧される。このため、燃料電池１０の生成水を有効に利用できる。また、燃料電池１０の生成水は、純水、あるいは、純水に近い水である。したがって、超音波式の加湿装置９０を用いてミストｍｓを発生させても、客室５１２内に雑菌等が噴霧されることを抑制でき、客室５１２内が不衛生となることを抑制できる。

Ｂ．他の実施形態：
（１）図５は、他の実施形態１にかかる燃料電池バス５００ａを模式的に示す説明図である。図５では、燃料電池バス５００ａを燃料電池バス５００ａの天井から−Ｚ方向に見たときの概略図である。燃料電池バス５００ａの客室５１２ａには、運転席５１５と、利用者用の複数の座席５１６とが設けられている。吹き出し口９１ａは、燃料電池バス５００ａにおける前方（−Ｘ方向）や、利用者用の座席５１６の側方（−Ｙ方向または＋Ｙ方向）、燃料電池バス５００ａにおける後方（＋Ｘ方向）に配置されている。このように、吹き出し口９１ａを多数備える場合には、超音波加湿装置９０から送出されたミストを各吹き出し口９１ａに分岐させて送出し、客室５１２内にミストｍｓを噴霧させてもよい。このような構成においても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

（２）上記各実施形態において、加湿処理は、車両５００、燃料電池バス５００ａ等の車両に限らず、燃料電池を搭載した、船舶および飛行機等の種々の移動体において実行されてもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池、１１…セル、２０…制御装置、２１…ＣＰＵ、２２…制御部、２５…メモリ、３０…酸化剤ガス供給排出部、３１…酸化剤ガス配管、３２…エアフローメータ、３３…エアコンプレッサ、３４…第１開閉弁、３５…第１圧力計、４１…酸化オフガス配管、４２…第１調圧弁、４３…第２気液分離器、４４…第３開閉弁、４５…排気排水配管、５０…燃料ガス供給排出部、５１…燃料ガス配管、５２…水素ガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２調圧弁、５５…インジェクタ、５６…第２圧力計、６１…燃料オフガス配管、６２…第１気液分離器、６３…排気排水弁、６４…接続配管、６５…循環配管、６６…水素ポンプ、７１…生成水流路、７２…生成水タンク、７３…貯留量検出センサ、７４…排水弁、７５…生成水ポンプ、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８２…二次電池、８３…負荷、８５…電流センサ、９０…超音波加湿装置、９１…吹き出し口、９１ａ…吹き出し口、９５…加湿ボタン、１００…燃料電池システム、５００…車両、５００ａ…燃料電池バス、５１１…フロントルーム、５１２…客室、５１２ａ…客室、５１５…運転席、５１６…座席、ＦＷ…前輪、Ｍ…駆動モータ、ＲＷ…後輪、ｍｓ…ミスト

Claims (1)

1. 燃料電池を搭載した移動体であって、
   前記燃料電池の発電に伴う生成水を貯留するタンクと、
   前記移動体の客室内に設けられた吹き出し口と、
   前記タンクに貯留された前記生成水を、前記吹き出し口を介して前記客室内に向かって噴霧する超音波加湿装置と、
   を備える、移動体。

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