(57)【要約】【課題】  燃料電池システムの省エネルギ、省スペースが図れる燃料電池用コンプレッサを提供する。【解決手段】  この燃料電池用コンプレッサ１は、燃料電池スタック２を作動するためのコンプレッサであって、気体の圧縮動作をそれぞれ行う２つの圧縮部３，４を有する。これら２つの圧縮部３，４は、モータ５に連結される同一の回転軸６で駆動される。一つの圧縮部３は空気を燃料電池スタック２へ供給するものであり、他の一つの圧縮部４は水素リッチガスである改質ガスを燃料電池スタック２へ供給するものとされる。改質器７は燃料電池用コンプレッサ１の後段に配置しても良く、その場合、他の一つの圧縮部４は、都市ガス等の改質用ガスを改質器７へ供給するものとされる。２つの圧縮部３，４は、互いの吐出量の比が燃料電池スタック２で発電に必要とされる空気量とガス量に応じた比とされる。【選択図】        図１
2005108751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックを作動するためのコンプレッサであって、気体の圧縮をそれぞれ行う２つの圧縮部を有し、これら２つの圧縮部は、モータに連結される同一の回転軸で圧縮のための駆動が行われるものとし、一つの圧縮部は空気を燃料電池スタックへ供給するものであり、他の一つの圧縮部は改質ガスを燃料電池スタックへ供給するものであり、これら２つの圧縮部は、互いの吐出量の比が、燃料電池スタックで発電に必要とされる空気量と改質ガス量の比に対応する燃料電池用コンプレッサ。
【請求項２】
燃料電池スタックを作動するためのコンプレッサであって、気体の圧縮をそれぞれ行う２つの圧縮部を有し、これら２つの圧縮部は、モータに連結される同一の回転軸で圧縮のための駆動が行われるものとし、一つの圧縮部は空気を燃料電池スタックへ供給するものであり、他の一つの圧縮部は改質用ガスを改質器へ供給するものであり、これら２つの圧縮部は、互いの吐出量の比が、燃料電池スタックで発電に必要とされる空気量と改質用ガス量の比に対応する燃料電池用コンプレッサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、各圧縮部をスクロール型としたスクロール型コンプレッサである燃料電池用コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車用や、家庭用定置型燃料電池等の作動に用いられる燃料電池用コンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、水素と酸素がエネルギー源として使われ、その酸素源としては空気が使われる。水素源としては、
１）．高圧水素ボンベないし水素貯蔵合金に貯蔵された水素を直接に使う場合と、
２）．改質器により、都市ガス、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ、メタノールなどから水素リッチな改質ガスを取り出す場合とがある。
所望の発電出力を得るには、必要量の電子を水素から発生させる必要がある。一例として、効率等を考慮して、１ｋＷシステムでは、１０Ｌ／ｍｉｎ．以上の水素、２５Ｌ／ｍｉｎ．以上の空気が必要である。
高圧水素ボンベないし水素貯蔵合金に貯蔵された水素を使う場合には、自らの圧力で燃料電池スタックへ供給できるが、改質用ガス、改質された水素リッチなガス、および空気は、強制的に燃料電池スタックへ送り込む必要がある。しかし、取扱性等においては、改質器を用いるシステムの方が優れている。
【０００３】
燃料電池スタックに水素リッチなガスおよび空気を送り込む場合、図４に各種圧力の場合の電流密度と発電電力を関係を示すように、圧力を高めた方が、発電の効率が良い。
圧力を高めてガス，空気を送り込む形式としては、図５および図６にそれぞれ示す２つの形式がある。図５の例は、改質用燃料となるガスをコンプレッサ１２で改質器７へ供給する形式である。図６の例は、改質後の水素リッチなガスをコンプレッサ１２で燃料電池スタック２に供給する形式である。空気は、いずれの形式の場合も、コンプレッサ１１で燃料電池スタック２へ供給する。
【非特許文献１】三重県北勢県民局主催の燃料電池関連研究会における頒布資料「定置用固定高分子形燃料電池システムと構成機器」、東芝インターナショナルフュエルセルズ株式会社、２００３年７月４日
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
自動車あるいは家庭用定置型燃料電池システムは、省エネルギ、コンパクト（省スペース）であることが要求される。しかし、従来の改質器を用いる燃料電池システムは、いずれも改質用燃料ガスまたは改質された水素リッチなガスを供給するコンプレッサ１２と、空気を供給するコンプレッサ１１との２つのコンプレッサ１１，１２を必要とし、また各コプレッサ１１，１２毎に電動モータ１３，１４が取付けられていて、省スペースの面から好ましくない。コンプレッサ１１，１２を用いずに低圧で供給すると、図４のグラフと共に説明したように、発電の効率が悪く、したがって省エネルギの面で好ましくない。
【０００５】
この発明の目的は、燃料電池システムの省エネルギ、省スペースが図れる燃料電池用コンプレッサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の燃料電池用コンプレッサは、燃料電池スタックを作動するためのコンプレッサであって、気体の圧縮をそれぞれ行う２つの圧縮部を有する。これら２つの圧縮部は、モータに連結される同一の回転軸で圧縮のための駆動が行われるものとする。
上記２つ圧縮部のうち、一つの圧縮部は、空気を燃料電池スタックへ供給するものであるが、他の一つの圧縮部は、第１の発明および第２の発明において異なる。
第１の発明では、他の一つの圧縮部は、改質ガスを燃料電池スタックへ供給するものとされる。第２の発明では、他の一つの圧縮部は、改質用ガスを改質器へ供給するものとされる。
第１および第２の発明のいずれにおいても、上記２つの圧縮部は、互いの吐出量の比が燃料電池スタックで発電に必要とされる空気量と各ガス量に応じたものとされる。すなわち第１の発明では、上記２つの圧縮部は、互いの吐出量の比が、燃料電池スタックで発電に必要とされる空気量と改質ガス量の比に対応するものとされる。第２の発明では、上記２つの圧縮部は、互いの吐出量の比が、燃料電池スタックで発電に必要とされる空気量と燃料電池スタックで発電に必要とされる改質用ガス量の比に対応するものとされる。ここで言う吐出量の比は、同じ圧力とした場合の容量の比である。
【０００７】
この構成の燃料電池用コンプレッサによると、一つのコンプレッサが、空気用と、改質ガスまたは改質用ガス用との２つの圧縮部を有していて、両圧縮部が同軸で駆動されるため、１台のモータで空気とガス用の２系統の駆動が行え、省スペースの面で好ましい。モータの使用効率の面でも好ましい。回転軸の他に、２つの圧縮部にケーシングやフレーム等の共通部分を設けることにより、２台のコンプレッサを別々に設ける場合に比べて、より一層のコンパクト化、低コスト化が得られる。また、空気および改質ガスが圧縮されて燃料電池スタックに供給されるため、燃料電池スタックの発電効率が良く、省エネルギ面でも、２台のコンプレッサを別々に設けた場合と同様に優れたものとなる。
燃料電池システムでは、定格出力、設計仕様により、必要な水素，酸素量は決定され、改質法や燃料電池システムの構成により、水素リッチなガスである改質ガス、および改質用燃料となるガスの必要量も決定される。そのため、２つの圧縮部の吐出量の比を適宜定めておくことで、同軸の駆動により、必要な量の空気および改質ガスが燃料電池スタックに適切な比で供給され、供給量に無駄のない効率の良い運転が行える。２つの圧縮部は同軸で駆動されるため、吐出量の比は、例えば各圧縮部が容積型であると、圧縮室の容量によって定めることができる。
【０００８】
この発明の燃料電池用コンプレッサにおいて、各圧縮部をスクロール型としたスクロール型コンプレッサとしても良い。
スクロール型コンプレッサは、小型で効率の良いものが開発されており、スクロール型とすることで、自動車や家庭用定置型の燃料電池システムのコンプレッサとして優れたものとなる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の燃料電池用コンプレッサは、気体の圧縮動作をそれぞれ行う２つの圧縮部を有し、これら２つの圧縮部はモータに連結される同一の回転軸で駆動されるものとし、かつ上記２つの圧縮部の吐出量の比を、燃料電池スタックで発電に必要とされる空気量とガス量に応じた比としたため、燃料電池システムの省エネルギ、省スペースを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明の第１の実施形態を図１と共に説明する。図１は、この燃料電池用コンプレッサを用いた燃料電池システムを示す。この燃料電池用コンプレッサ１は、燃料電池スタック２を作動するためのコンプレッサであって、気体の圧縮をそれぞれ行う２つの圧縮部３，４を有する。これら２つの圧縮部３，４は、モータ５に連結される同一の回転軸６で駆動されるものである。各圧縮部３，４は、それぞれがコンプレッサとしての機能を有するものであり、気体を入れる圧縮室３ａ，４ａ、および回転軸６の回転により圧縮室３ａ，４ａに作用して圧縮動作を行う部材（図示せず）を有している。同図において、圧縮室３ａ，４ａは概念的に示したものであり、その形状はコンプレッサ形式に応じて種々の形状とされる。両圧縮部３，４の吐出する気体の圧力は、互いに同じとされる。各圧縮部３，４は、特に形式が限定されるものではないが、容積型コンプレッサ、特にスクロール型コンプレッサとすることが好ましい。その場合、各圧縮部３，４は、固定のスクロール部材と偏心運動を行うスクロール部材（いずれも図示せず）の間で圧縮室３ａ，４ａを構成する。
【００１１】
上記２つ圧縮部３，４のうち、一つの圧縮部３は、空気を燃料電池スタック２へ供給するものであり、他の一つの圧縮部４は、改質器７で改質された水素リッチガスである改質ガスを燃料電池スタック２へ供給するものとされる。改質器７へは都市ガス、ガソリン、ナフサ、ＬＰＧ、メタノールなどの気体または液体の改質用燃料が供給される。
【００１２】
燃料電池用コンプレッサ１における２つの圧縮部３，４は、互いの吐出量の比が、燃料電池スタック２で発電に必要とされる空気量と改質ガス量の比に対応する比とされる。この吐出量の比は、各圧縮部３，４が容積型である場合、圧縮室３ａ，４ａの容量によって定めることができる。燃料電池スタック１において、発電は水素２に対して酸素１の割合で消費されるため、改質ガスの水素成分が略１００％あるとすると、必要とされる空気と改質ガスの比は、空気中の酸素成分が２０％として、概ね５：２の比となる。したがって圧縮部３，４の圧縮室３ａ，４ａの容量の比は、概ね５：２とされる。
【００１３】
なお、燃料電池スタック２は、水素と酸素とで水を生成する反応を電気化学的に行うことによって、電気を発生させる装置である。燃料電池スタック２は、例えば電界質を挟んで燃料極と空気極（いずれも図示せず）とを設け、燃料極側に水素リッチガスを、空気極側に空気を供給することで、水素が水素イオンになって電解質を通り、空気極を供給された酸素と反応して水を生成する。この反応の過程で発電を行う。
改質器７は、上記都市ガス等の改質用燃料を水素リッチガスである改質ガスに改質する装置である。
【００１４】
この構成の燃料電池用コンプレッサ１によると、一つのコンプレッサで空気用と改質ガス用との２つの圧縮部３，４を有していて、両圧縮部３，４が同軸で駆動されるため、１台のモータ５で空気と改質ガスの２系統の駆動が行え、省スペースの面で好ましい。モータ５の使用効率の面でも好ましい。２つの圧縮部３，４にフレームやケーシング等の共通部分を設けることにより、２台のコンプレッサを別々に設ける場合に比べて、より一層のコンパクト化、低コスト化が得られる。また、空気および改質ガスが圧縮されて燃料電池スタック２に供給されるため、燃料電池スタック２の発電効率が良く、省エネルギ面でも、２台のコンプレッサを別々に設けた場合と同様に優れたものとなる。空気および改質ガスの圧力は、図４と共に説明したように、高い方が発電効率が上がる。また、燃料電池スタック１の排出ガス側に圧力調整弁（図示せず）を設けることにより、発電効率の最適化制御が可能となる。
燃料電池システムでは、定格出力、設計仕様により、必要な水素，酸素量は決定され、改質法や燃料電池システムの構成により、水素リッチなガスである改質ガス、および改質用燃料となるガスの必要量も決定される。そのため、２つの圧縮部３，４の吐出量の比を適宜定めておくことで、同軸の駆動により、必要な量の空気および改質ガスが燃料電池スタック２に適切な比で供給され、供給量に無駄のない効率の良い運転が行える。
【００１５】
燃料電池用コンプレッサ１の各圧縮部３，４は、上記のように各種の形式のものとできるが、スクロール型とした場合は、小型で効率の良いものが簡単に製作でき、自動車や家庭用定置型の燃料電池システムのコンプレッサとして優れたものとなる。
【００１６】
図２は、この発明の他の実施形態を示す。この燃料電池用コンプレッサ１は、２つの圧縮部３，４のうち、一つの圧縮部３は上記実施形態と同様に空気を燃料電池スタック１へ供給するものとされている。他の一つの圧縮部４は、改質用ガスを改質器７へ供給するものとされる。これら２つの圧縮部３，４は、互いの吐出量の比が、燃料電池スタック２で発電に必要とされる空気量と改質用ガス量の比に対応するものとされる。この実施形態におけるその他の構成は、第１の実施形態と同じである。
【００１７】
この実施形態の場合、改質用ガスが燃料電池用コンプレッサ１の圧縮部４で改質器７へ供給され、改質器７で改質された水素リッチガスである改質ガスが燃料電池スタック１に供給されることになる。この実施形態の場合も、第１の実施形態と同様に、燃料電池システムの省エネルギ、省スペース等の各効果が得られる。
【００１８】
なお、上記各実施形態において、燃料電池用コンプレッサ１の２つの圧縮部３，４を互いに一部が共通となるケーシングに設けられたものとしたが、２つの圧縮部３，４は、回転軸６が同軸とされていれば良く、例えば図３に示すように互いに離れて２つの圧縮部３，４が設けられていても良い。なお、両圧縮部３，４を同軸で駆動する構成に代えて、例えば両圧縮部３，４を同じ構成のものとし、回転数が異なるように連結することで、１台のモータで両圧縮部３，４の吐出量を変えることも可能であるが、同軸で駆動する構成とした方が、構成が簡単となる。
【００１９】
つぎに、改質用ガスとして都市ガスを用いる場合のガスと空気の理論量について説明する。都市ガス１３Ａの組成は表１のようであり、メタンとして計算する。
【００２０】
【表１】
2005108751.tif 000003
【００２１】
メタンの水蒸気改質の式は、次式となる。
ＣＨ4 ＋Ｈ2 Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ2 
ＣＯ＋Ｈ2 Ｏ＝ＣＯ2 ＋Ｈ2 
全体で
ＣＨ4 ＋２Ｈ2 Ｏ＝ＣＯ2 ＋４Ｈ2 
よって、改質によりメタン（ＣＨ4 ）の１モルから４モルの水素（Ｈ2 ）が生成する。
燃料電池の反応式は、次式である。
２Ｈ2 ＋Ｏ2 ＝２Ｈ2 Ｏ
よって、燃料電池では水素（Ｈ2 ）の２モルに対し１モルの酸素（Ｏ2 ）を消費する。
以上より、メタン（ＣＨ4 ）の１モルに対し、２モルの酸素（Ｏ2 ）を消費する。
この結果、空気中の酸素（Ｏ2 ）は20容量％であるので、都市ガスと空気の理論量は表２のようになる。
【００２２】
【表２】
2005108751.tif 000004
【００２３】
図２に示す実施形態において、改質用ガスに都市ガスを用いる場合、例えば、このように計算される都市ガスと空気の理論量の比に応じ、圧縮部３と圧縮部４の容量の比は、略１０：１とされる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかる燃料電池用コンプレッサを用いた燃料電池システムの概念構成図である。
【図２】この発明の他の実施形態にかかる燃料電池用コンプレッサを用いた燃料電池システムの概念構成図である。
【図３】この発明のさらに他の実施形態にかかる燃料電池用コンプレッサの概念構成図である。
【図４】燃料電池スタックの各気圧の場合の電流密度と発電電力の関係を示すグラフである。
【図５】従来例にかかる燃料電池システムの概念構成図である。
【図６】他の従来例にかかる燃料電池システムの概念構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１…燃料電池用コンプレッサ
２…燃料電池スタック
３，４…圧縮部
３ａ，４ａ…圧縮室
５…モータ
６…回転軸
７…改質器
【図１】
2005108751.tif 000005
【図２】
2005108751.tif 000006
【図３】
2005108751.tif 000007
【図４】
2005108751.tif 000008
【図５】
2005108751.tif 000009
【図６】
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