(57)【要約】    【課題】  過渡時において燃料電池に対するカソードガスの充分な供給を実現させて発電効率を向上させるとともに、装置の小型化を実現させる。    【解決手段】  カソードガスを圧縮するガス圧縮手段を備え、圧縮されたカソードガスを燃料電池１０に供給するガス供給装置である。ガス圧縮手段は、回転力を生成する一の駆動源（モータ）２４により駆動されてカソードガスを圧縮する第１のコンプレッサ２１と、所定の回転力により駆動されてカソードガスを圧縮する第２のコンプレッサ２２と、駆動源２４で生成された回転力の回転数が所定値を超えた場合にこの回転力を第２のコンプレッサ２２に伝達する動力伝達手段（遠心クラッチ）２５と、を有する。    【選択図】  図１
2006312907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードガスを圧縮するガス圧縮手段を備え、圧縮されたカソードガスを燃料電池に供給するガス供給装置であって、
ガス圧縮手段は、回転力を生成する一の駆動源により駆動されてカソードガスを圧縮する第１のコンプレッサと、所定の回転力により駆動されてカソードガスを圧縮する第２のコンプレッサと、前記駆動源で生成された回転力の回転数が所定値を超えた場合に前記駆動源で生成された回転力を前記第２のコンプレッサに伝達する動力伝達手段と、を有するガス供給装置。
【請求項２】
前記動力伝達手段は、遠心クラッチである請求項１に記載のガス供給装置。
【請求項３】
前記第１のコンプレッサの圧縮能力は、前記第２のコンプレッサの圧縮能力よりも高く設定されてなる請求項１又は２に記載のガス供給装置。
【請求項４】
燃料電池と、請求項１から３の何れか一項に記載のガス供給装置と、を備える燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池にカソードガスを供給するガス供給方法であって、
回転力を生成する一の駆動源により駆動される第１のコンプレッサを用いてカソードガスを圧縮して燃料電池に供給する第１の工程と、
前記駆動源で生成された回転力の回転数が所定値を超えた場合に、前記駆動源で生成された回転力を第２のコンプレッサに伝達し、前記第１のコンプレッサ及び前記第２のコンプレッサの双方を用いてカソードガスを圧縮して供給する第２の工程と、
を含むガス供給方法。
【請求項６】
カソードガスを圧縮するガス圧縮手段を備え、圧縮されたカソードガスを燃料電池に供給するガス供給装置であって、
ガス圧縮手段は、回転力を生成する一の駆動源により駆動されてカソードガスを圧縮する複数のコンプレッサを有するガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス供給装置、燃料電池システム及びガス供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水素ガス等のアノードガスと空気等のカソードガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムにおいては、コンプレッサ（圧縮機）を用いてカソードガスを圧縮し、この圧縮したカソードガスを燃料電池に供給している。
【０００３】
現在においては、一台のコンプレッサを用いてカソードガスを圧縮する燃料電池システムが一般的であるが、過渡時（発進時や急加速時等）においては大流量のカソードガスを供給する必要があるため、コンプレッサ自体の大型化が図られる傾向にある。また、近年においては、別々の駆動源により駆動される大小複数のコンプレッサを設け、低負荷域で小型のコンプレッサを作動させる一方、過渡時等の高負荷域で大型のコンプレッサを作動させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第３５５５４３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、大型のコンプレッサを一台採用した場合には、過渡時における迅速な制御が困難となり、応答性が低くなる（すなわち作動指令時からコンプレッサ作動時までの時間遅れが大きくなる）ため、結果的にカソードガスの供給が不足し、発電効率が低下する場合がある。また、特許文献１に記載された技術を採用すると、コンプレッサ毎に駆動源を設ける必要があるため、各コンプレッサの搭載スペースに加えて各駆動源の搭載スペースが必要となり、ガス供給装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、過渡時において燃料電池に対するカソードガスの充分な供給を実現させて発電効率を向上させるとともに、装置の小型化を実現させることができるガス供給装置と、このガス供給装置を備える燃料電池システムと、ガス供給方法と、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】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係るガス供給装置は、カソードガスを圧縮するガス圧縮手段を備え、圧縮されたカソードガスを燃料電池に供給するガス供給装置であって、ガス圧縮手段は、回転力を生成する一の駆動源により駆動されてカソードガスを圧縮する第１のコンプレッサと、所定の回転力により駆動されてカソードガスを圧縮する第２のコンプレッサと、駆動源で生成された回転力の回転数が所定値を超えた場合に駆動源で生成された回転力を第２のコンプレッサに伝達する動力伝達手段と、を有するものである。
【０００７】
かかる構成を採用することにより、低負荷域においては、駆動源により第１のコンプレッサのみを駆動してカソードガスを圧縮して燃料電池に供給することができる。また、過渡時等の高負荷域において駆動源で生成された回転力の回転数が所定値を超えた場合には、動力伝達手段により駆動源で生成された回転力を第２のコンプレッサに伝達して、第１のコンプレッサと第２のコンプレッサとの双方を作動させることができる。従って、過渡時において大流量のカソードガスの供給を行うことができ、しかも、第１のコンプレッサを作動させた状態から駆動源で生成された回転力を利用して第２のコンプレッサを迅速に作動させるので過渡時における応答性を向上させることもできる。また、コンプレッサ毎に駆動源を設ける必要がないため、装置の小型化を実現させることができる。
【０００８】
前記ガス供給装置において、動力伝達手段として遠心クラッチを採用することができる。また、前記ガス供給装置において、第１のコンプレッサの圧縮能力は、第２のコンプレッサの圧縮能力よりも高く設定されていることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記ガス供給装置と、を備えるものである。かかる燃料電池システムにおいては、前記ガス供給装置を採用するため、過渡時において大流量のカソードガスの迅速な供給を行うことができるので、高い発電性能を発揮する。また、前記ガス供給装置を採用するため、システム全体の小型化が可能となる。
【００１０】
また、本発明に係るガス供給方法は、燃料電池にカソードガスを供給するガス供給方法であって、回転力を生成する一の駆動源により駆動される第１のコンプレッサを用いてカソードガスを圧縮して燃料電池に供給する第１の工程と、前記駆動源で生成された回転力の回転数が所定値を超えた場合に、前記駆動源で生成された回転力を第２のコンプレッサに伝達し、前記第１のコンプレッサ及び前記第２のコンプレッサの双方を用いてカソードガスを圧縮して供給する第２の工程と、を含むものである。
【００１１】
かかる方法によれば、低負荷域おいて第１のコンプレッサのみを用いてカソードガスを圧縮して供給することができる。また、過渡時等の高負荷域において駆動源で生成された回転力の回転数が所定値を超えた場合に、この回転力を第２のコンプレッサに伝達し、第１のコンプレッサ及び第２のコンプレッサの双方を用いて反応ガスを圧縮して供給することができる。従って、過渡時において大流量のカソードガスの迅速な供給を行うことができるので、発電効率の向上を実現させることができる。
【００１２】
また、本発明に係るガス供給装置は、カソードガスを圧縮するガス圧縮手段を備え、圧縮されたカソードガスを燃料電池に供給するガス供給装置であって、ガス圧縮手段は、回転力を生成する一の駆動源により駆動されてカソードガスを圧縮する複数のコンプレッサを有するものである。かかる構成を採用すると、コンプレッサ毎に駆動源を設ける必要がないため、装置の小型化を実現させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、過渡時において燃料電池に対するカソードガスの充分な供給を実現させて発電効率を向上させることができるとともに、ガス供給装置ひいては燃料電池システムの小型化を実現させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。以下の実施形態においては、燃料電池システム１を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明する。
【００１５】
まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００１６】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池セル（単電池）を複数積層してなる燃料電池１０、燃料電池１０の酸素極に空気（カソードガス）を供給するための空気供給流路２０、燃料電池１０の酸素極内の空気を排出するための空気排出流路３０、燃料電池１０の水素極に水素ガス（アノードガス）を供給するための水素供給流路４０、燃料電池１０の水素極から排出される水素オフガスを水素供給流路４０に還流させるための還流流路５０、燃料電池１０を冷却する冷却水を循環させるための冷却路、各種センサ、各種センサからの情報を受けてシステム全体を統合制御する図示されていない制御装置、等を備えて構成されている。なお、冷却路、各種センサ及び制御装置については、図示を省略している。
【００１７】
燃料電池１０は、空気供給流路２０を介して空気供給口に供給される空気と、水素供給流路３０を介して水素供給口に供給される水素ガスと、を用いて、電気化学反応によって発電する装置である。燃料電池１０が発電された電力は、図示していないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えている。
【００１８】
空気供給流路２０には、空気を圧縮（加圧）する第１のコンプレッサ２１及び第２のコンプレッサ２２、空気に所要の水分を加える加湿器２３、空気から微粒子を除去する図示されていないエアフィルタ等が設けられている。また、空気排出流路３０には、加湿器２３の熱交換器や図示されていない圧力調整弁等が設けられている。燃料電池１０から排出される空気は、この空気排出流路３０を経て外部に放出される。
【００１９】
第１のコンプレッサ２１は、駆動源としてのモータ２４によって駆動される。また、本実施形態においては、第２のコンプレッサ２２専用のモータを設けることなく、モータ２４によって駆動された第１のコンプレッサ２１の回転力を、遠心クラッチ２５を介して第２のコンプレッサ２２に伝達することにより、第２のコンプレッサ２２を駆動することとしている。なお、本実施形態においては、第１のコンプレッサ２０Ａの圧縮能力（最大発生流量）を、第２のコンプレッサ２０Ｂの圧縮能力（最大発生流量）よりも大きく設定している。
【００２０】
遠心クラッチ２５は、第１のコンプレッサ２１の回転軸２１ａと、第２のコンプレッサ２２の回転軸２２ａと、を連結する回転速度感応型のクラッチであり、第１のコンプレッサ２１の回転軸２１ａの回転数が所定値を超えた場合に締結して、モータ２４によって駆動された第１のコンプレッサ２１の回転力を第２のコンプレッサ２２に伝達して、第２のコンプレッサ２２を駆動する。すなわち、遠心クラッチ２５は、本発明における動力伝達手段である。
【００２１】
なお、第１のコンプレッサ２１、第２のコンプレッサ２２、モータ２４及び遠心クラッチ２５によって、本発明の実施形態に係るガス圧縮手段が構成される。また、このガス圧縮手段（第１のコンプレッサ２１、第２のコンプレッサ２２、モータ２４及び遠心クラッチ２５）及び空気供給流路２０によって、本発明の実施形態に係るガス供給装置が構成される。
【００２２】
水素供給流路４０は、燃料電池１０を構成する単電池の水素極の入口側に連通しており、図１に示すように、水素供給源４１から供給される水素ガスを、水素供給口を介して燃料電池１０に流すものである。水素供給源４１としては、高圧水素タンク、燃料改質器、水素吸蔵合金等を採用することができる。還流流路５０は、燃料電池１０を構成する単電池の水素極の出口側に連通しており、燃料電池１０で消費されなかった水素ガス（水素オフガス）を、水素排出口を介して排出させて水素供給流路４０に還流させるものである。
【００２３】
還流流路５０には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器５１、回収した生成水を図示しないタンク等に回収する排水弁５２、水素オフガスを加圧する水素ポンプ５３、逆止弁５４等が設けられている。また、還流流路５０は、パージ流路６０を介して空気排出流路３０に接続される。パージ流路６０にはパージ弁６１が設けられている。パージ弁６１は電磁式の遮断弁であり、制御装置からの指令によって作動することにより水素オフガスを外部に排出（パージ）する。
【００２４】
制御装置は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各種センサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、モータ２４をはじめとした各種電子機器の動作を制御する。
【００２５】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１のガス供給装置を用いて、燃料電池１０にカソードガスを供給する方法（ガス供給方法）について説明する。
【００２６】
通常走行時等の低負荷域においては、制御装置の指令によりモータ２４を作動させ、このモータ２４の駆動力により第１のコンプレッサ２１を駆動して空気を圧縮し、この圧縮した空気を空気供給流路２０を介して燃料電池１０の酸素極に供給する（第１の工程）。一方、このような低負荷域から、過渡時（発進時や急加速時）等の高負荷域に移行させる場合には、制御装置の指令によりモータ２４の回転数を増加させる。そして、モータ２４の回転数が増加して所定値を超えた場合には、遠心クラッチ２５が自動的に締結されて第１のコンプレッサ２１の回転力が第２のコンプレッサ２２に伝達され、第２のコンプレッサ２２が駆動する。これにより第１のコンプレッサ２１及び第２のコンプレッサ２２を用いて空気が圧縮され、この圧縮した空気が空気供給流路２０を介して燃料電池１０の酸素極に供給される（第２の工程）。
【００２７】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１のガス供給装置によれば、低負荷域において、モータ２４により第１のコンプレッサ２１のみを駆動して空気を圧縮して燃料電池１０に供給することができる。また、過渡時等の高負荷域において、モータ２４の回転数が所定値を超えた場合には、モータ２４により駆動された第１のコンプレッサ２１の回転力を遠心クラッチ２５により第２のコンプレッサ２２に伝達し、第１のコンプレッサ２１と第２のコンプレッサ２２との双方を作動させることができる。
【００２８】
従って、過渡時において大流量の空気の供給を行うことができ、第１のコンプレッサ２１の回転軸の回転力（慣性力）を利用して第２のコンプレッサ２２を迅速に作動させるので過渡時における応答性を向上させることもできる。また、コンプレッサ毎に駆動源を設ける必要がないため、装置の小型化を実現させることができる。また、第２コンプレッサ２２専用のモータが不要となるので、消費電力を節減することができ、発電電力の消費を抑制することができる。
【００２９】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、前記したガス供給装置を採用するため、過渡時において大流量の空気の迅速な供給を行うことができるので、高い発電性能を発揮する。また、前記したガス供給装置を採用するため、システム全体の小型化が可能となる。
【００３０】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１のガス供給方法によれば、低負荷域おいて第１のコンプレッサ２１のみを用いて空気を圧縮して供給することができる。また、過渡時等の高負荷域においてモータ２４の回転数が所定値を超えた場合に、第１のコンプレッサ２１の回転力を第２のコンプレッサ２２に伝達し、第１のコンプレッサ２１及び第２のコンプレッサ２２の双方を用いて空気を圧縮して供給することができる。従って、過渡時において大流量の空気の迅速な供給を行うことができるので、発電効率の向上を実現させることができる。
【００３１】
なお、以上の実施形態においては、動力伝達手段として遠心クラッチを採用した例を示したが、かかる遠心クラッチに代えて電磁クラッチを採用し、モータ２３の回転数が所定値を超えた場合に制御装置の制御により電磁クラッチを締結させて、第１のコンプレッサ２１の回転力を第２のコンプレッサ２２に伝達するようにしてもよい。
【００３２】
また、以上の実施の形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例を示したが、本発明をその他の発電システム（例えば定置用発電システム）に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池、２１…第１のコンプレッサ、２２…第２のコンプレッサ、２４…モータ（駆動源）、２５…遠心クラッチ（動力伝達手段）
【図１】
2006312907.tif 000003