(57)【要約】【課題】燃料電池システムのエネルギ効率を向上させる。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックのカソードに酸化剤ガスとしての圧縮空気を供給する圧縮空気供給装置６０を備える。この圧縮空気供給装置６０は、空気を圧縮するための圧縮室６１０を有するスクロール型エアコンプレッサと、圧縮室６１０と連通して設けられた副圧縮室６３０と、副圧縮室６３０内を摺動可能な可動壁６３２と、可動壁６３２を摺動させるアクチュエータ６４０とを備える。そして、燃料電池システムが備える制御ユニットが、燃料電池スタックへの要求出力に応じて、アクチュエータ６４０を制御することによって、空気が圧縮されたときの圧縮室６１０の実質的な容量を変化させる。【選択図】図２
2010015733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスとしての圧縮空気を供給する圧縮空気供給装置と、を備え、
前記圧縮空気供給装置は、
空気を圧縮するための圧縮室を有するスクロール型エアコンプレッサと、
空気が圧縮されたときの前記圧縮室の実質的な容量を変化させる可変容量部と、
前記可変容量部を制御する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記可変容量部は、
前記圧縮室と連通して設けられた副圧縮室と、
前記副圧縮室の内部に設けられ、前記副圧縮室の内壁との気密性を確保しつつ、前記副圧縮室内を摺動可能な可動壁と、
前記可動壁を摺動させるアクチュエータと、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池への要求出力に応じて、前記アクチュエータを制御する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソードから排出されるカソードオフガスの排出圧力を検出する圧力センサと、
前記カソードオフガスの排出圧力を調整するための圧力調整弁と、を備え、
前記制御部は、さらに、前記カソードオフガスの圧力が、前記燃料電池への要求出力に応じて定まる目標値となるように、前記圧力調整弁を制御する、
燃料電池システム。
【請求項４】
圧縮空気供給装置であって、
空気を圧縮するための圧縮室を有するスクロール型エアコンプレッサと、
前記圧縮室と連通して設けられた副圧縮室と、
前記副圧縮室の内部に設けられ、前記副圧縮室の内壁との気密性を確保しつつ、前記副圧縮室内を摺動可能な可動壁と、
前記可動壁を摺動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを制御する制御部と、
を備える圧縮空気供給装置。
【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、および、圧縮空気供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池のカソードには、一般に、酸化剤ガスとして、エアコンプレッサによって圧縮された圧縮空気が供給される。
【０００３】
ところで、このような燃料電池システムでは、燃料電池への要求出力の変化に応じて、圧縮空気の供給圧力を変化させることが要求されている。そして、燃料電池への要求出力の変化に応じて、圧縮空気の供給圧力を変化させることは、圧縮空気の吐出圧を変化させることが可能な可変容量型のエアコンプレッサを上記エアコンプレッサとして用いることによって、容易に実現可能である。しかし、可変容量型のエアコンプレッサは、一般に、比較的大型であり、その重量が重く、また、動作時の騒音や振動が比較的大きいため、例えば、いわゆる燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムには適していない。そこで、このような燃料電池システムには、エアコンプレッサとして、小型、軽量、低騒音、低振動等の特徴を有するスクロール型エアコンプレッサが用いられることが多い。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−８６２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、スクロール型エアコンプレッサは、容積型のエアコンプレッサであるので、これを燃料電池システムに適用した場合、燃料電池への要求出力に関わらず、空気は一定の圧縮率で圧縮される。したがって、燃料電池への要求出力が比較的低く、圧縮空気に対して要求される供給圧力が比較的低い場合には、スクロール型エアコンプレッサは必要以上に空気の圧縮を行うことになる。そして、この必要以上な空気の圧縮のために要したエネルギはロスとなり、燃料電池システムのエネルギ効率の低下を招いていた。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスとしての圧縮空気を供給する圧縮空気供給装置と、を備え、前記圧縮空気供給装置は、空気を圧縮するための圧縮室を有するスクロール型エアコンプレッサと、空気が圧縮されたときの前記圧縮室の実質的な容量を変化させる可変容量部と、前記可変容量部を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。
【０００９】
適用例１の燃料電池システムでは、圧縮空気供給装置において、上記可変容量部を制御することによって、空気が圧縮されたときの上記圧縮室の実質的な容量を変化させることができる。したがって、燃料電池への要求出力が比較的低い場合に、上記圧縮室の実質的な容量を大きくすれば、空気の圧縮率、すなわち、圧縮空気の供給圧力を低くすることができるので、空気の圧縮のために要するエネルギを減少させることができる。つまり、本適用例の燃料電池システムによれば、スクロール型エアコンプレッサが空気の圧縮のために要するエネルギロスを抑制し、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。
【００１０】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記可変容量部は、前記圧縮室と連通して設けられた副圧縮室と、前記副圧縮室の内部に設けられ、前記副圧縮室との気密性を確保しつつ、前記副圧縮室内を摺動可能な可動壁と、前記可動壁を摺動させるアクチュエータと、を備え、前記制御部は、前記燃料電池への要求出力に応じて、前記アクチュエータを制御する、燃料電池システム。
【００１１】
［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記カソードから排出されるカソードオフガスの排出圧力を検出する圧力センサと、前記カソードオフガスの排出圧力を調整するための圧力調整弁と、を備え、前記制御部は、さらに、前記カソードオフガスの排出圧力が、前記燃料電池への要求出力に応じて定まる目標値となるように、前記圧力調整弁を制御する、燃料電池システム。
【００１２】
適用例３の燃料電池システムによって、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスの排出圧力、すなわち、酸化剤ガスについての燃料電池の作動圧を、精度よく目標値に調整することができる。
【００１３】
［適用例４］圧縮空気供給装置であって、空気を圧縮するための圧縮室を有するスクロール型エアコンプレッサと、前記圧縮室と連通して設けられた副圧縮室と、前記副圧縮室の内部に設けられ、前記副圧縮室との気密性を確保しつつ、前記副圧縮室内を摺動可能な可動壁と、前記可動壁を摺動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを制御する制御部と、を備える圧縮空気供給装置。
【００１４】
適用例４の圧縮空気供給装置を燃料電池システムに適用することによって、先に説明したように、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明は、上述の燃料電池システム、この燃料電池システムに用いられる圧縮空気供給装置としての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００１６】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【００１８】
燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルモジュールを、複数積層させたスタック構造を有している。各セルモジュールは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。セルモジュールの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。
【００１９】
燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、例えば、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成する水素生成装置を用いるものとしてもよい。
【００２０】
水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、各セルモジュールのアノードに供給される。各セルモジュールのアノードから排出されるアノードオフガスは、排出配管５６を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。
【００２１】
また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００２２】
燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、圧縮空気供給装置６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。各セルモジュールのカソードから排出されるカソードオフガスは、排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２には、カソードオフガスの排出圧力、すなわち、酸化剤ガスについての燃料電池スタック１００の作動圧を調整するための圧力調整弁６４、および、カソードオフガスの排出圧力を検出する圧力センサ６３が配設されている。圧縮空気供給装置６０は、本発明の特徴部分であり、これについては後から詳述する。
【００２３】
燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。
【００２４】
燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット８０によって制御される。制御ユニット８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池スタック１００に対する出力要求や、各種センサの出力等に基づいて、各種バルブ、ポンプ等の駆動、および、圧縮空気供給装置６０の制御等、システムの運転を制御する。制御ユニット８０は、本発明における制御部に相当する。
【００２５】
Ａ２．圧縮空気供給装置：
図２は、圧縮空気供給装置６０の概略構成を模式的に示す説明図である。この圧縮空気供給装置６０は、固定スクロールおよび旋回スクロール等によって構成された、空気を圧縮するための圧縮室６１０と旋回スクロールを旋回させるモータ６２０とを有するスクロール型エアコンプレッサと、圧縮室６１０と連通して設けられた副圧縮室６３０と、副圧縮室６３０の内部に設けられ、副圧縮室６３０の内壁との気密性を確保しつつ、副圧縮室６３０内を摺動可能な可動壁６３２と、副圧縮室６３０を摺動させるアクチュエータ６４０とを備えている。そして、アクチュエータ６４０は、図１に示した制御ユニット８０によって制御される。
【００２６】
図から分かるように、圧縮空気供給装置６０では、アクチュエータ６４０によって可動壁６３２の位置をスライドさせ、副圧縮室６３０の容量を変化させることによって、空気が圧縮されたときの圧縮室６１０の実質的な容量を変化させ、圧縮空気の供給圧力を変化させることができる。例えば、副圧縮室６３０の容量が大きくなるように、可動壁６３２の位置をスライドさせることによって、圧縮室の実質的な容量は大きくなり、空気の圧縮率、すなわち、圧縮空気の供給圧力は低くなる。
【００２７】
なお、圧縮空気の供給圧力を変化させるために、圧縮空気供給装置６０に可変容量型のエアコンプレッサを用いずに、スクロール型エアコンプレッサを用いているのは、スクロール型エアコンプレッサが、可変容量型のエアコンプレッサと比較して、小型、軽量、低騒音、低振動等の特徴を有しており、燃料電池システム１０００を、例えば、いわゆる燃料電池自動車に搭載する場合に好適であるからである。
【００２８】
Ａ３．圧縮空気供給装置の運転制御処理：
図３は、燃料電池システム１０００における圧縮空気供給装置６０の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１０００の運転中に、制御ユニット８０のＣＰＵが繰り返し実行する処理である。
【００２９】
まず、ＣＰＵは、燃料電池スタック１００への要求出力を入力する（ステップＳ１００）。そして、ＣＰＵは、入力された燃料電池スタック１００への要求出力に基づいて、燃料電池スタック１００に供給すべき圧縮空気の流量、すなわち、モータ６２０の回転数、および、燃料電池スタック１００に供給すべき圧縮空気の供給圧力、すなわち、副圧縮室６３０の容量（可動壁６３２の位置）を、それぞれ設定し（ステップＳ１１０）、モータ６２０、および、アクチュエータ６４０を制御する（ステップＳ１２０）。燃料電池スタック１００への要求出力とモータ６２０の回転数との関係、および、燃料電池スタック１００への要求出力と可動壁６３２の位置との関係は、予めＲＯＭに記憶されている。
【００３０】
次に、ＣＰＵは、圧力センサ６３によって、カソードオフガスの排出圧力を検出し（ステップＳ１３０）、このカソードオフガスの排出圧力が燃料電池スタック１００への要求出力に応じて定まる目標値となるように、圧力調整弁６４を制御する。こうすることによって、カソードオフガスの排出圧力、すなわち、酸化剤ガスについての燃料電池スタック１００の作動圧を、精度よく目標値に調整することができる。
【００３１】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、圧縮空気供給装置６０が、副圧縮室６３０、可動壁６３２、アクチュエータ６４０、すなわち、圧縮室６１０の実質的な容量を変化させる構成を備えているので、燃料電池スタック１００への要求出力が比較的低い場合に、可動壁６３２をスライドさせて、圧縮室６１０の実質的な容量を大きくし、圧縮空気の供給圧力を低くすることができる。したがって、圧縮空気に対して要求される供給圧力が比較的低い場合に、圧縮空気供給装置６０（スクロール型エアコンプレッサ）が空気の圧縮のために要するエネルギを減少させることができる。この結果、スクロール型エアコンプレッサが空気の圧縮のために要するエネルギロスを抑制し、燃料電池システム１０００のエネルギ効率を向上させることができる。
【００３２】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システムの構成は、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００とほぼ同じである。そして、第２実施例の燃料電池システムでは、圧縮空気供給装置６０の運転制御処理が、図３に示した第１実施例における圧縮空気供給装置６０の運転制御処理と一部異なっている。すなわち、第２実施例の燃料電池システムでは、圧縮空気供給装置６０の運転制御処理において、ＣＰＵが燃料電池スタック１００への要求出力を入力し、この要求出力に基づいて、燃料電池スタック１００に供給すべき圧縮空気の供給圧力、すなわち、副圧縮室６３０の容量（可動壁６３２の位置）を設定する際に、燃料電池スタック１００や、配管６１，６２における圧力損失が算出されて加味される。なお、この圧力損失は、燃料電池スタック１００内の圧縮空気の流路や配管６１，６２の各種設計値、燃料電池スタック１００に供給される圧縮空気の流量、および、酸化剤ガスについての燃料電池スタック１００の作動圧に基づいて算出される。このこと以外は、第１実施例の燃料電池システム１０００における圧縮空気供給装置６０の運転制御処理と同じである。
【００３３】
以上説明した第２実施例の燃料電池システムによっても、先に説明した第１実施例の燃料電池システム１０００と同様に、圧縮空気供給装置６０が備えるスクロール型エアコンプレッサが空気の圧縮のために要するエネルギロスを抑制し、燃料電池システム１０００のエネルギ効率を向上させることができる。
【００３４】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００３５】
Ｃ１．変形例１：
図４は、変形例としての圧縮空気供給装置６０Ａの概略構成を模式的に示す説明図である。この圧縮空気供給装置６０Ａは、固定スクロールおよび旋回スクロール等によって構成された、空気を圧縮するための圧縮室６１０と旋回スクロールを旋回させるモータ６２０とを有するスクロール型エアコンプレッサと、圧縮室６１０と連通して設けられた副圧縮室６３０Ａとを備えている。そして、図示するように、副圧縮室６３０Ａの内部は、複数の室６３４ａ，６３４ｂ，６３４ｃ，６３４ｄ，６３４ｅに分割されている。これらの数は、任意に設定可能である。また、各室６３４ａ，６３４ｂ，６３４ｃ，６３４ｄ，６３４ｅの入口には、それぞれ、開閉弁６３６ｖａ，６３６ｖｂ，６３６ｖｃ，６３６ｖｄ，６３６ｖｅが設けられており、これらの開閉状態をそれぞれ切り換えることによって、副圧縮室６３０Ａの容量を段階的に変化させることができる。このような圧縮空気供給装置６０Ａによっても、上記実施例における圧縮空気供給装置６０と同様に、空気が圧縮されたときの圧縮室６１０の実質的な容量を変化させ、圧縮空気の供給圧力を変化させることができる。
【００３６】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、圧縮空気の供給圧力を変化させることができる本発明の圧縮空気供給装置を燃料電池システムに適用した場合について説明したが、本発明は、これに限られない。本発明の圧縮空気供給装置を、圧縮空気の圧力を変化させて利用する他のシステムに適用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。
【図２】圧縮空気供給装置６０の概略構成を模式的に示す説明図である。
【図３】燃料電池システム１０００における圧縮空気供給装置６０の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】変形例としての圧縮空気供給装置６０Ａの概略構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０，６０Ａ…圧縮空気供給装置
６１０…圧縮室
６２０…モータ
６３０，６３０Ａ…副圧縮室
６３２…可動壁
６３４ａ，６３４ｂ，６３４ｃ，６３４ｄ，６３４ｅ…室
６３６ｖａ，６３６ｖｂ，６３６ｖｃ，６３６ｖｄ，６３６ｖｅ…開閉弁
６４０…アクチュエータ
６１…配管
６２…排出配管
６３…圧力センサ
６４…圧力調整弁
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
８０…制御ユニット
【図１】
2010015733.tif 000003
【図２】
2010015733.tif 000004
【図３】
2010015733.tif 000005
【図４】
2010015733.tif 000006