JP7393745B2

JP7393745B2 - 燃料電池車のエネルギー回収システム

Info

Publication number: JP7393745B2
Application number: JP2022046001A
Authority: JP
Inventors: 誠阿部
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2042-03-22
Also published as: JP2023140126A; DE102023106702A1; US20230317980A1; CN116799243A

Description

本開示は、燃料電池車のエネルギー回収システムに関する。

特許文献１には、燃料電池システムを備えた車両（燃料電池車）が開示されている。燃料電池システムは、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備える。

燃料電池システムには、作動温度が電気化学反応に適した温度となるように燃料電池を冷却する冷却システムが設けられている。冷却システムには、燃料電池に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路、冷却水を循環させるウォータポンプ、ウォータポンプを駆動する電動モータ、ファンを備えたラジエータが設けられ、燃料電池で発生した熱は、冷却水を介してラジエータで系外に排出される。

特開２００４－３１１３４８号公報

燃料電池には、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンに比べて数倍の放熱性能が要求されるため、燃料電池車から系外に排出されて廃棄される熱エネルギーも大きい。

そこで本開示は、廃棄されるエネルギーを有効に回収することが可能な燃料電池車のエネルギー回収システムの提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本開示の第１の態様は、燃料電池車のエネルギー回収システムであって、燃料電池に第１冷却水を循環供給するための第１冷却水循環経路と、第１冷却水循環経路に設けられ、燃料電池で加熱された第１冷却水を冷却する第１ラジエータと、第１ラジエータに設けられ、第１ラジエータで放出される排熱を高温熱源とする熱電変換素子を有し、第１ラジエータで放出される熱を電気に変換する第１熱電変換部と、第１冷却水循環経路に設けられて第１冷却水を燃料電池に循環供給する第１冷却水ポンプと、第１冷却水ポンプを駆動する第１冷却水ポンプ駆動モータと、第１冷却水ポンプ駆動モータに第２冷却水を循環供給するための第２冷却水循環経路と、第２冷却水循環経路に設けられ、第１冷却水ポンプ駆動モータで加熱された第２冷却水を冷却する第２ラジエータと、第２ラジエータに設けられ、第２ラジエータで放出される排熱を高温熱源とする熱電変換素子を有し、第２ラジエータで放出される熱を電気に変換する第２熱電変換部と、を備える。

本発明の第２の態様は、第１の態様のエネルギー回収システムであって、第２冷却水循環経路に設けられて第２冷却水を第１冷却水ポンプ駆動モータに循環供給する第２冷却水ポンプと、第２冷却水ポンプを駆動する第２冷却水ポンプ駆動モータと、を備え、第２冷却水循環経路は、第２冷却水ポンプ駆動モータを経由する。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様のエネルギー回収システムであって、燃料電池から排出される圧縮状態の排ガスを、燃料電池車のエアブレーキへ供給する排ガス供給経路を備える。

本開示のエネルギー回収システムによれば、燃料電池車で廃棄されるエネルギーを有効に回収することができる。

本発明の一実施形態に係るエネルギー回収システムを備えた燃料電池システムを示すブロック図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態のエネルギー回収システムは、燃料電池システムを備えた車両（燃料電池車）に設けられる。

（燃料電池システムの概略構成）
燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池（ＦＣスタック）１と、負荷回路１００と、水素供給回路２００と、空気供給回路３００と、排ガス回路４００と、ＦＣ冷却回路（第１冷却回路）５００と、を備える。燃料電池１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う。

負荷回路１００は、燃料電池昇圧コンバータ１０１と、インバータ１０２と、主駆動モータ１０３と、昇圧コンバータ１０４と、二次電池１０５と、を備える。インバータ１０２と昇圧コンバータ１０４とは、パワーコントロールユニット１０６を構成する。

燃料電池昇圧コンバータ１０１は、燃料電池１が発生させる電圧を、主駆動モータ１０３を駆動可能な電圧に昇圧する。インバータ１０２は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、主駆動モータ１０３へ供給する。主駆動モータ１０３は、燃料電池車を駆動するとともに、燃料電池車の減速時には回生モータとして機能する。昇圧コンバータ１０４は、燃料電池１の電圧を変換して二次電池１０５へ供給し、或いは、二次電池１０５の電圧を変換してインバータ１０２へ供給する。二次電池１０５は、燃料電池１からの電力や、主駆動モータ１０３が行う回生により得られた電力を充電するとともに、主駆動モータ１０３や補機を駆動するための電源として機能する。補機には、燃料電池システム内の各部に配置されている各駆動モータ（主駆動モータ１０３を除く）、駆動モータを駆動するためのインバータ類、その他の各種の車載補機が含まれる。

水素供給回路２００は、水素タンク２０１と、水素供給経路２０２と、水素排気経路２０３と、水素還流経路２０４と、水素ポンプ２１０と、備える。水素タンク２０１は、充填口２０５から供給された水素ガスを貯蔵する。水素供給経路２０２は、水素タンク２０１と燃料電池１とを接続する。水素供給経路２０２には、水素タンク２０１側から、主止弁２０６と、レギュレータ２０７と、インジェクタ２０８とが設けられている。主止弁２０６は、水素タンク２０１からの水素ガスの供給をオン／オフする。レギュレータ２０７は、燃料電池１に供給される水素ガスの圧力を調整する。インジェクタ２０８は、燃料電池１に水素ガスを噴射して供給する。

水素排気経路２０３は、燃料電池１からの燃料排ガスを排出する。燃料排ガスには、未反応水素ガス、蒸気又は水、窒素、酸素などが含まれる。水素還流経路２０４は、水素排気経路２０３と水素供給経路２０２とを接続する。水素排気経路２０３と水素還流経路２０４との間には、気液分離器２０９が設けられている。気液分離器２０９は、燃料排ガス中の水と、ガス（水素や窒素などの不純物）とを分離する。水素ポンプ２１０は、水素還流経路２０４に設けられ、気液分離器２０９によって分離された水素ガスを水素供給経路２０２へ供給する。すなわち、燃料電池システムでは、燃料排ガスに含まれる未反応の水素ガスを燃料として利用する。主止弁２０６、レギュレータ２０７、インジェクタ２０８、水素ポンプ２１０の駆動モータ２１０Ｍ等は、水素充填ＥＣＵ２１１によって制御される。

空気供給回路３００は、エアコンプレッサ３０１と、空気供給経路３０２と、を備える。エアコンプレッサ３０１は、空気を圧縮し、空気供給経路３０２を介して空気を燃料電池１へ送る。空気供給経路３０２の燃料電池１への入口には、三方弁３０３が設けられ、エアコンプレッサ３０１の上流には、空気の取込み量を測定するエアフローメータ３０４が設けられている。エアコンプレッサ３０１と三方弁３０３の間の空気供給経路３０２には、空気供給経路３００を流通する空気を冷却するインタークーラ３０５が設けられている。

排ガス回路４００は、排ガス経路４０１と、燃料ガス排出経路４０２と、空気バイパス経路４０３と、を備える。燃料電池１から排出される圧縮状態の排ガスは、排ガス経路４０１へ流入する。排ガス経路４０１には、排ガスを貯留するバッファタンク４０４が設けられている。燃料ガス排出経路４０２は、バッファタンク４０４の上流で、排ガス経路４０１と気液分離器２０９とを接続する。気液分離器２０９に溜まった水及びガスは、燃料ガス排出経路４０２から排ガス経路４０１へ流入する。空気バイパス経路４０３は、バッファタンク４０４の上流で、排ガス経路４０１と空気供給経路３０２の入口三方弁３０３とを接続する。排ガス経路４０１の下流部には、排気音を減少させるサイレンサー４０５が設けられている。

ＦＣ冷却回路５００は、ＦＣ冷却水循環経路（第１冷却水循環経路）５０１と、ＦＣ冷却水ポンプ（第１冷却水ポンプ）５０２と、ＦＣメインラジエータ（第１ラジエータ）５０３と、ＦＣサブラジエータ５０４と、を備える。ＦＣ冷却水循環経路５０１は、燃料電池１に冷却水（第１冷却水）を循環供給するための管路である。ＦＣ冷却水ポンプ５０２は、ＦＣ冷却水循環経路５０１に設けられ、ＦＣ冷却回路５００中の冷却水を燃料電池１へ循環供給する。ＦＣメインラジエータ５０３は、燃料電池１の外部のＦＣ冷却水循環経路５０１に設けられ、燃料電池１で加熱された冷却水を冷却する。ＦＣメインラジエータ５０３の近傍には、ラジエータファン５０５が設けられている。ラジエータファン５０５は、ＦＣメインラジエータ５０３へ風を送り、ＦＣメインラジエータ５０３からの放熱を促進する。ＦＣサブラジエータ５０４は、ＦＣメインラジエータ５０３と並列にＦＣ冷却水循環経路５０１に設けられ、ＦＣメインラジエータ５０３による冷却水の冷却を補完する。ＦＣ冷却水循環経路５０１には、冷却水の絶縁性を確保するためのイオン交換器５０６と冷却水を冷却するためのインタークーラ５０７とが、ＦＣメインラジエータ５０３及びＦＣサブラジエータ５０４に対してそれぞれ並列に設けられている。燃料電池１によって加熱された冷却水は、空調システム５０８による車室内の暖房に用いられる。

（ＦＣ冷却回路からのエネルギー回収）
ＦＣ冷却回路５００のＦＣメインラジエータ５０３とＦＣサブラジエータ５０４とインタークーラ５０７とには、熱電変換部６０１，６０２，６０３がそれぞれ設けられている。熱電変換部６０１，６０２，６０３は、熱電変換素子によって構成され、ＦＣメインラジエータ５０３とＦＣサブラジエータ５０４とインタークーラ５０７とにおいて放出される排熱を電気に変換し、燃料電池１と燃料電池昇圧コンバータ１０１との間の負荷回路１００へ供給する。これにより、ＦＣ冷却回路５００で発生する熱を、主駆動モータ１０３の駆動や二次電池１０５の充電のために有効に活用することができる。

（モータからのエネルギー回収）
本実施形態の燃料電池システムには、モータ冷却回路（第２冷却回路）７００が設けれられている。

モータ冷却回路７００は、モータ冷却水循環経路（第２冷却水循環経路）７０１と、モータ冷却水ポンプ（第２冷却水ポンプ）７０２と、モータ冷却用ラジエータ（第２ラジエータ）７０３と、を備える。モータ冷却水循環経路７０１は、主駆動モータ１０３、水素ポンプ２１０の駆動モータ２１０Ｍ、ＦＣ冷却水ポンプ５０２の駆動モータ（第１冷却水ポンプを駆動する第１冷却水ポンプ駆動モータ）５０２Ｍ、後述する基盤冷却水ポンプ８０２の駆動モータ８０２Ｍ、モータ冷却水ポンプ７０２の駆動モータ（第２冷却水ポンプを駆動する第２冷却水ポンプ駆動モータ）７０２Ｍ、及びエアコンプレッサ３０１の駆動モータ３０１Ｍに、冷却水（第２冷却水）を循環供給して冷却するための管路であり、これらのモータ１０３，２１０Ｍ，５０２Ｍ，８０２Ｍ，７０２Ｍ，３０１Ｍを経由する。モータ冷却水ポンプ７０２は、モータ冷却水循環経路７０１に設けられ、モータ冷却回路７００中の冷却水をモータ１０３，２１０Ｍ，５０２Ｍ，８０２Ｍ，７０２Ｍ，３０１Ｍへ循環供給する。モータ冷却用ラジエータ７０３は、モータ冷却水循環経路７０１に設けられ、モータ１０３，２１０Ｍ，５０２Ｍ，８０２Ｍ，７０２Ｍ，３０１Ｍで加熱された冷却水を冷却する。

モータ冷却用ラジエータ７０３には、熱電変換部６０４が設けられている。熱電変換部６０４は、熱電変換素子によって構成され、モータ冷却用ラジエータ７０３において放出される排熱を電気に変換し、燃料電池１と燃料電池昇圧コンバータ１０１との間の負荷回路１００へ供給する。これにより、モータ１０３，２１０Ｍ，５０２Ｍ，８０２Ｍ，７０２Ｍ，３０１Ｍで発生する熱を、主駆動モータ１０３の駆動や二次電池１０５の充電のために有効に活用することができる。

（電気基盤からのエネルギー回収）
本実施形態の燃料電池システムには、基盤冷却回路８００が設けれられている。

基盤冷却回路８００は、基盤冷却水循環経路８０１と、基盤冷却水ポンプ８０２と、基盤冷却用ラジエータ８０３と、を備える。基盤冷却水循環経路８０１は、燃料電池昇圧コンバータ１０１、水素充填ＥＣＵ２１１、二次電池１０５、パワーコントロールユニット１０６に冷却水（第２冷却水）を循環供給して、これらの電気機器の電気基盤等を冷却するための管路であり、これらの電気機器を経由する。基盤冷却水ポンプ８０２は、基盤冷却水循環経路８０１に設けられ、基盤冷却回路８００中の冷却水を上記電気機器へ循環供給する。基盤冷却用ラジエータ８０３は、基盤冷却水循環経路８０１に設けられ、上記電気機器で加熱された冷却水を冷却する。

基盤冷却用ラジエータ８０３には、熱電変換部６０５が設けられている。熱電変換部６０５は、熱電変換素子によって構成され、基盤冷却用ラジエータ８０３において放出される排熱を電気に変換し、燃料電池１と燃料電池昇圧コンバータ１０１との間の負荷回路１００へ供給する。これにより、上記電気機器で発生する熱を、主駆動モータ１０３の駆動や二次電池１０５の充電のために有効に活用することができる。

（空気供給回路からのエネルギー回収）
空気供給回路３００のインタークーラ３０５には、熱電変換部６０６が設けられている。熱電変換部６０６は、熱電変換素子によって構成され、インタークーラ３０５において放出される排熱を電気に変換し、燃料電池１と燃料電池昇圧コンバータ１０１との間の負荷回路１００へ供給する。これにより、インタークーラ３０５で発生する熱を、主駆動モータ１０３の駆動や二次電池１０５の充電のために有効に活用することができる。

（圧縮空気の有効活用）
本実施形態の燃料電池システムには、燃料電池１から排出される圧縮状態の排ガスを貯留するバッファタンク４０４と、バッファタンク４０４に貯留された圧縮状態の排ガスを燃料電池車のエアブレーキ１０へ供給する排ガス供給経路４０６を備える。これにより、燃料電池１から排出される圧縮状態の排ガスをエアブレーキ１０の作動のために有効に活用することができる。

以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、当然に本発明を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。すなわち、この実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。

例えば、上記実施形態では、ラジエータ５０３，５０４，７０３，８０３とインタークーラ３０５，５０７とに、それぞれ熱電変換部６０１～６０６を設けたが、これに代えて、熱電変換機能付ラジエータや熱電変換機能付インタークーラを用いてもよい。

本発明は、様々な燃料電池車に適用可能である。

１：燃料電池
１０：エアブレーキ
１００：負荷回路
２００：水素供給回路
３００：空気供給回路
４００：排ガス回路
４０６：排ガス供給経路
５００：ＦＣ冷却回路（第１冷却回路）
５０１：ＦＣ冷却水循環経路（第１冷却水循環経路）
５０２：ＦＣ冷却水ポンプ（第１冷却水ポンプ）
５０２Ｍ：ＦＣ冷却水ポンプの駆動モータ（第１冷却水ポンプ駆動モータ）
５０３：ＦＣメインラジエータ（第１ラジエータ）
６０１，６０２，６０３，６０４，６０５，６０６：熱電変換部
７００：モータ冷却回路（第２冷却回路）
７０１：モータ冷却水循環経路（第２冷却水循環経路）
７０２：モータ冷却水ポンプ（第２冷却水ポンプ）
７０２Ｍ：モータ冷却水ポンプの駆動モータ（第２冷却水ポンプ駆動モータ）
７０３：モータ冷却用ラジエータ（第２ラジエータ）
８００：基盤冷却回路
８０１：基盤冷却水循環経路
８０２：基盤冷却水ポンプ
８０３：基盤冷却用ラジエータ

Claims

燃料電池車のエネルギー回収システムであって、
燃料電池に第１冷却水を循環供給するための第１冷却水循環経路と、
前記第１冷却水循環経路に設けられ、前記燃料電池で加熱された第１冷却水を冷却する第１ラジエータと、
前記第１ラジエータに設けられ、前記第１ラジエータで放出される排熱を高温熱源とする熱電変換素子を有し、前記第１ラジエータで放出される熱を電気に変換する第１熱電変換部と、
前記第１冷却水循環経路に設けられて第１冷却水を前記燃料電池に循環供給する第１冷却水ポンプと、
前記第１冷却水ポンプを駆動する第１冷却水ポンプ駆動モータと、
前記第１冷却水ポンプ駆動モータに第２冷却水を循環供給するための第２冷却水循環経路と、
前記第２冷却水循環経路に設けられ、前記第１冷却水ポンプ駆動モータで加熱された第２冷却水を冷却する第２ラジエータと、
前記第２ラジエータに設けられ、前記第２ラジエータで放出される排熱を高温熱源とする熱電変換素子を有し、前記第２ラジエータで放出される熱を電気に変換する第２熱電変換部と、を備える
ことを特徴とする燃料電池車のエネルギー回収システム。
請求項１に記載のエネルギー回収システムであって、
前記第２冷却水循環経路に設けられて第２冷却水を前記第１冷却水ポンプ駆動モータに循環供給する第２冷却水ポンプと、
前記第２冷却水ポンプを駆動する第２冷却水ポンプ駆動モータと、を備え、
前記第２冷却水循環経路は、前記第２冷却水ポンプ駆動モータを経由する
ことを特徴とする燃料電池車のエネルギー回収システム。
請求項１又は請求項２に記載のエネルギー回収システムであって、
前記燃料電池から排出される圧縮状態の排ガスを、前記燃料電池車のエアブレーキへ供給する排ガス供給経路を備える
ことを特徴とする燃料電池車のエネルギー回収システム。