(57)【要約】【課題】安価で信頼性があり、主通路の圧力損失が小さい温調器のバイパス機構を含む燃料電池用の空気供給装置を提供する。【解決手段】圧縮機２から燃料電池１に供給される圧縮空気を調温する温調器３を設けた主通路４と、この主通路４と並列に設けられ、温調器３を迂回するバイパス通路５と、を含む燃料電池用の空気供給装置ＯＳＳである。主通路４であって温調器３の出口側に、主通路４の圧力を調整することで主通路４とバイパス通路５に流れる空気量を調整する圧力制御弁７を設け、バイパス通路５の一端を温調器３の上流側、他端を圧力制御弁７の下流側で主通路４に接続する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機から燃料電池に供給される圧縮空気を調温する温調器を設けた主通路と、この主通路と並列に設けられ、温調器を迂回するバイパス通路と、を含む燃料電池用の空気供給装置において、
前記主通路であって前記温調器の出口側に、前記主通路の圧力を調整することで前記主通路と前記バイパス通路に流れる空気量を調整する圧力制御弁を設け、前記バイパス通路の一端を前記温調器の上流側、他端を前記圧力制御弁の下流側で前記主通路に接続したことを特徴とする空気供給装置。
【請求項２】
前記バイパス通路に逆止弁を設け、前記温調器と前記逆止弁とを熱的に結合したことを特徴とする空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用の空気供給装置に関し、詳細には燃料電池に供給される圧縮空気を調温する温調器をバイパスする機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
温調器をバイパスする機構として、消音器及び熱交換器（温調器）を備えた主通路と、バイパス通路とを、三方弁を介して接続した燃料電池用の空気供給装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この燃料電池システムにおいては、主通路とバイパス通路を接続する二つの三方弁を切替えることによって、圧縮機により圧縮された高温の空気を、バイパス通路と主通路に選択的に供給する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１１０２１３号公報（第７頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の技術では、圧縮された空気は、三方弁を切替えることで全量バイパス通路を流通するため、供給する空気の温度を調整することが困難であった。さらに、二つの三方弁を設けた燃料電池システムにおいては、高温の圧縮空気が三方弁を流れることになるので、高温で作動する三方弁が必要となる。しかしながら、このような三方弁は非常に高価である上、信頼性の確保が非常に困難であった。また、主通路の圧力損失、すなわち三方弁での圧力損失を小さくすることが困難であった。
【０００５】
本発明は、前述した課題を解決するためになされたものであって、安価で信頼性があり、主通路の圧力損失が小さい温調器のバイパス機構を含む燃料電池用の空気供給装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、圧縮機から燃料電池に供給される圧縮空気を調温する温調器を設けた主通路と、この主通路と並列に設けられ、温調器を迂回するバイパス通路と、を含む燃料電池用の空気供給装置において、
前記主通路であって前記温調器の出口側に、前記主通路の圧力を調整することで前記主通路と前記バイパス通路に流れる空気量を調整する圧力制御弁を設け、前記バイパス通路の一端を前記温調器の上流側、他端を前記圧力制御弁の下流側で前記主通路に接続したことを特徴とする。
【０００７】
このような燃料電池用の空気供給装置は、圧力を制御する圧力制御弁を主通路の温調器の下流側に配置したことで、バイパス通路に流通する空気流量を制御することが可能になる。さらに、主通路に圧力損失の大きい三方弁に代えて圧力制御弁を用いているので、定常運転時における燃料電池システムの圧力損失を小さくすることが可能となる。
さらに、このような空気供給装置においては、温調器の出口側に設けた圧力制御弁によって、主通路とバイパス通路を流れる圧縮空気の流量調整を行うことができるので、三方弁を設けた燃料電池システムと比較して、容易に調温精度を上げることが可能となる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の空気供給装置において、前記バイパス通路に逆止弁を設け、前記温調器と前記逆止弁とを熱的に結合したことを特徴とする。
【０００９】
ここで、「温調器と逆止弁とを熱的に結合」とは、温調器である水冷されたインタークーラ等からの伝熱によって逆止弁が冷却されるように、温調器に近接して逆止弁を配設することを意味する。
このような燃料電池用の空気供給装置によると、バイパス通路に設けた逆止弁と温調器が熱的に結合しているので、温調器である、例えば水冷されたインタークーラからの伝熱により逆止弁が冷却され、バイパス通路に流れる高温の圧縮空気を冷却することができる。
また、バイパス通路に流れる高温の圧縮空気が逆止弁において冷却されるので、バイパス通路の上流側と下流側を耐熱温度の相対的に低いゴムホースによって接続することが可能となり、より安価で、組立て又はメンテナンスの際に作業効率の良い空気供給装置を提供することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
同図に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１のカソード極（酸素極）に酸化剤ガス（圧縮空気）を供給する酸化剤ガス供給装置（空気供給装置）ＯＳＳと、燃料電池１のアノード極（水素極）に燃料ガス（水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置ＨＳＳとから構成される。
なお、燃料ガス供給装置ＨＳＳは、本発明の要部を構成するものではないので、詳細な説明は省略する。
【００１２】
燃料電池１は、供給された酸化剤ガスと燃料ガスを反応させることで発電を行う。燃料電池１は、電解質膜を挟んでアノード極（水素極）側とカソード極（酸素極）側とに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられており、アノード極及びカソード極を形成している。電解質膜としては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜を電解質として用いたものが知られている。
【００１３】
酸化剤ガス供給装置（空気供給装置）ＯＳＳは、圧縮機２から燃料電池１に空気Ａを供給するもので、インタークーラ（温調器）３を設けた主通路４と、この主通路４と並列に設けられ、インタークーラ３を迂回するバイパス５通路とを含む。
【００１４】
圧縮機２は、図示しないスーパーチャージャ（容積型の圧縮機）及びこれを駆動するモータ等から構成され、エアクリーナ（図示せず）を通してろ過された空気Ａを、燃料電池１のカソード極側に送出する。圧縮機２の送出力により、空気Ａは燃料電池１のカソード極側に供給され、燃料電池１を経た後、排出空気Ａｅとして燃料電池システムＦＣＳの次の工程に送られる。
【００１５】
インタークーラ（温調器）３は、圧縮機２により圧縮され高温となった空気Ａを、燃料電池１のカソード極に供給するのに適した温度に調整する。インタークーラ３は、熱伝導率の良いアルミニウム製であり、冷却水を循環させることで、高温圧縮空気の調温を行っている。
【００１６】
次に、図２を参照して、本発明の燃料電池システムの要部を詳述する。
図２は、本発明の要部の構成を示す説明図である。
【００１７】
同図に示すように、インタークーラ３が設けられた主通路４は、インタークーラ３の入口側と出口側で、バイパス通路５に接続されている。インタークーラ３の出口側には、圧力制御弁としてのバタフライ弁７が設けられている。
バイパス通路５は、一端が逆止弁６を介してインタークーラ３の入口側で主通路４に接続され、他端がバタフライ弁７の下流で主通路４に接続される。逆止弁６は、インタークーラ３と熱的に結合するように近接して配設され、水冷されたインタークーラ３からの伝熱によって冷却される。従って、圧縮機２により圧縮された高温の空気は、逆止弁６を通過する際に冷却されるので、バイパス通路５はゴムホースによって形成される。同様の理由から、逆止弁６のダイヤフラム等もゴム部品によって形成される。
符号３Ａ及び３Ｂは、インタークーラ３に通流する冷却水の流入通路と流出通路をそれぞれ示す。
符号８は、主通路４の下流側の圧力を逆止弁６に伝える信号圧通路を示す。バイパス通路５と同様に、信号圧通路８もゴムホースによって形成される。
【００１８】
図３を参照して、前述した燃料電池システムＦＣＳの作用を説明する。
図３は、燃料電池システムの作用を説明する説明図であり、（ａ）はバタフライ弁を開いた状態、（ｂ）はバタフライ弁を閉じた状態を示す。
【００１９】
バタフライ弁７は、図示しない制御装置に電気的に接続される。制御装置は、燃料電池システムＦＣＳに設けられた流量計や圧力計（図示せず）から入力される検出信号に応じて、バタフライ弁７の開度を調整する。
図３（ａ）に示す状態では、バタフライ弁７が全開であるので、圧縮機２から供給された圧縮空気は、インタークーラ３を通って主通路４の下流側に流れる。
その際、信号圧通路８によって逆止弁６に伝えられる主通路４の下流側での圧力は、バイパス通路５の入口側の圧力よりも高いので、逆止弁６は閉じたままとなる。従って、圧縮空気はバイパス通路５には流れずに、主通路４のみに流れることになる。
なお、逆止弁６のハンチングを防止するため、信号圧通路８は、バイパス通路５とインタークーラ３の接続部よりも下流側に設けている。
【００２０】
図３（ｂ）に示す状態では、バタフライ弁７が全閉であるので、バタフライ弁７の下流では、主通路４の圧力が低くなる。一方、インタークーラ３の入口側の圧力は増大する。信号圧通路８を通して逆止弁６に伝わる信号圧が減少することにより、逆止弁６の印加圧が逆止弁６の開弁圧を超えて逆止弁６が開き、圧縮空気がバイパス通路５に流れる。
【００２１】
すなわち、バタフライ弁７を閉じ方向に制御すると、インタークーラ３を通過して主通路４を流れる圧縮空気の流量が減少する。すると、インタークーラ３の出入口間の圧力差が増大し、逆止弁６への印加圧が増大する。逆止弁６の印加圧が逆止弁６の開弁圧を超えると逆止弁６が開き、圧縮空気が主通路４とバイパス通路５に流れる。
バタフライ弁７の開度を制御することで、インタークーラ３の出入口間の圧力差、さらには逆止弁６の印加圧を調整することができるので、インタークーラ３へのバイパス流量比率を制御することが可能となる。
【００２２】
次に、図４を参照して、燃料電池システムＦＣＳの処理手順を説明する。
図４は、燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。
【００２３】
同図に示すように、ステップＳ１では、圧縮機２の出口温度、インタークーラ３の入口における冷却水温度、燃料電池１の入口温度、燃料電池の要求流量及び要求圧力等の検出信号が、制御装置（図示せず）に入力される。
ステップＳ２では、入力された各検出信号をパラメータとして、予め用意したマップよりインタークーラ／バイパス通路流量比を算出する。
ステップＳ３では、制御装置が、インタークーラ３の出口側に設けたバタフライ弁７に開度を指令する。
バタフライ弁７の開度を制御した結果、逆止弁６への印加圧が逆止弁６の開弁圧より大きくなると、ステップＳ４において逆止弁６が開き、バイパス通路５に圧縮空気が流れる。
ステップＳ５では、インタークーラ３を通過した圧縮空気とバイパス通路５を通過した圧縮空気を、主通路４の下流側で合流し調温を行う。
そして、ステップＳ６において、図示しない加湿器を通して、調温した圧縮空気を燃料電池１に供給する。
以下、ステップＳ１に戻って同様の手順を繰り返す。なお、制御装置が行う処理はステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３である。
【００２４】
以上に述べた燃料電池システムＦＣＳによると、インタークーラ３の出口側に設けたバタフライ弁７によって、主通路４とバイパス通路５を流れる圧縮空気の流量調整を行うことができるので、ＯＮ／ＯＦＦの切替えのみを行う三方弁を設けた燃料電池システムと異なり、インタークーラ３へのバイパス流量比率を制御することが可能となるので、容易に調温精度を上げることが可能となる。また、燃料電池へ供給する空気の温度を制御するために、インタークーラに流れる冷却水の流量や温度を制御する場合と比較し、制御が容易になるとともに空気供給装置の温度調整をインタークーラによる冷却装置と独立して行うことが可能となる。
さらに、このような燃料電池システムＦＣＳにおいては、インタークーラ３の入口側に設けた逆止弁６とインタークーラ３が熱的に結合されているので、水冷されたインタークーラ３からの伝熱により逆止弁６が冷却され、バイパス通路５に流れる高温の圧縮空気を冷却することができる。
このため、高温で作動する三方弁が不要となり、安価な燃料電池システムＦＣＳを提供することが可能となる。また、圧力損失の大きい三方弁に変えてバタフライ弁７や逆止弁６を用いているので、定常運転時における燃料電池システムＦＣＳの圧力損失を小さくすることができる。
【００２５】
また、バイパス通路５に流れる高温の圧縮空気が逆止弁６において冷却されるので、バイパス通路を耐熱温度の相対的に低いゴムホースによって構成するとともに、逆止弁６のダイヤフラム等にもゴム部品を用いることが可能となり、より安価で、組立て又はメンテナンスの際に作業効率の良い燃料電池システムＦＣＳを提供することができる。
【００２６】
さらに、圧力制御弁としてバタフライ弁７を用いたことにより、簡単な構成で、主通路４とバイパス通路５を流れる圧縮空気の流量調整を行うことができる。
【００２７】
以上、本発明の好適な実施形態について述べたが、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、様々に変形又は変更することが可能である。
例えば、燃料電池システムＦＣＳの低温運転時に、インタークーラ下流側のバタフライ弁７の開度を閉じることでバイパス通路５を流れる空気流量を増加させ、温度が上昇した圧縮空気を燃料電池１へ供給することで、燃料電池１を早期に暖機することができる。この場合、逆止弁６のハンチングを防止するために、信号圧通路８を圧損要素の下流側で主通路４と接続することが好適である。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、温調器の下流側に開度を調整することで圧力制御が可能な圧力制御弁を設けたことで、バイパス通路へ流れる空気流量を制御することができ、容易に温度制御することができる温調器のバイパス機構を含む燃料電池用の空気供給装置を提供することができる。
【００２９】
請求項２に係る発明によれば、バイパス通路に設けた逆止弁と温調器が熱的に結合しているので、温調器である、例えば水冷されたインタークーラからの伝熱により逆止弁が冷却され、バイパス通路に流れる高温の圧縮空気を冷却することができる。このためメンテナンス性の高いゴム製品などをバイパス通路に配置することができ、安価で信頼性の高い空気供給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の要部の構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池システムの作用を説明する説明図であり、（ａ）はバタフライ弁を開いた状態、（ｂ）はバタフライ弁を閉じた状態を示す。
【図４】燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
ＦＣＳ　　　　　　　　　　　　燃料電池システム
ＯＳＳ　　　　　　　　　　　　酸化剤ガス供給装置（空気供給装置）
１　　　　　　　　　　燃料電池
２　　　　　　　　　　圧縮機
３　　　　　　　　　　インタークーラ（温調器）
４　　　　　　　　　　主通路
５　　　　　　　　　　バイパス通路
６　　　　　　　　　　逆止弁
７　　　　　　　　　　バタフライ弁（圧力制御弁）
【図１】
2004139866.tif 000003
【図２】
2004139866.tif 000004
【図３】
2004139866.tif 000005
【図４】
2004139866.tif 000006