(57)【要約】【課題】反応空気を供給するためのファンと冷却空気を供給するためのファンの取り付けスペースを減少させて燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制すると共に、各ファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させるようにした燃料電池の空気供給装置を提供する。【解決手段】冷却空気を供給する第１のファン１３２と反応空気を供給する第２のファン１４２を１個の電動モータ１２６で駆動すると共に、第１のファン１３２と第２のファン１４２と電動モータ１２６を一体のケース１１８に収容する、より具体的には、第１のファン１３２を収容する第１のスクロールカバー１３６と、第２のファン１４２を収容する第２のスクロールカバー１４６と、電動モータ１２６を収容するスクロールケース１２４を一体化させる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に冷却空気を供給する第１のファンと、前記燃料電池の空気極に反応空気を供給する第２のファンとを備えた燃料電池の空気供給装置において、前記第１のファンと第２のファンが１個の電動モータで駆動されると共に、前記第１のファンと第２のファンと電動モータとが一体のケースに収容されるように構成したことを特徴とする燃料電池の空気供給装置。
【請求項２】
前記ケースが、前記第１のファン用の第１の吸気口と、前記第２のファン用の第２の吸気口とを備えると共に、前記第１の吸気口に第１のエアフィルタが取り付けられる一方、前記第２の吸気口に第２のエアフィルタが取り付けられ、さらに前記第１のエアフィルタと第２のエアフィルタの特性が相違させられるように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の空気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の空気供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極に供給された水素と空気極に供給された反応空気（酸素）が電気化学反応を引き起こすことによって発電するが、前記空気極への反応空気の供給は、通常、ファン（エアブロワ）によって行われていた。また、燃料電池には、発電による温度上昇を抑制するための冷却空気が供給されるが、かかる冷却空気の供給は、従来、反応空気を供給するためのファンとは別体に設けられたファンによって行われていた（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平７−６７７７号公報（図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
反応空気を供給するためのファンは、一般に、それを駆動する電動モータと共にケース内に収容されつつ、燃料電池ユニットの構成部品として吸気路の上流に取り付けられていた。冷却空気を供給するためのファンも、同様にそれを駆動する電動モータと共にケース内に収容されつつ、燃料電池ユニットの適宜位置に取り付けられていた。即ち、従来技術にあっては、各ファンは別体のケースに収容されて燃料電池ユニットに取り付けられることから、大きな取り付けスペースが必要となり、ユニットの大型化や重量増を招くといった不具合があった。
【０００４】
また、各ファンを異なる電動モータで駆動していたことから、消費電力が大きくなるという不具合があった。
【０００５】
従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、反応空気を供給するためのファンと冷却空気を供給するためのファンの取り付けスペースを減少させて燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制すると共に、各ファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させるようにした燃料電池の空気供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、燃料電池に冷却空気を供給する第１のファンと、前記燃料電池の空気極に反応空気を供給する第２のファンとを備えた燃料電池の空気供給装置において、前記第１のファンと第２のファンが１個の電動モータで駆動されると共に、前記第１のファンと第２のファンと電動モータとが一体のケースに収容されるように構成した。
【０００７】
また、請求項２にあっては、前記ケースが、前記第１のファン用の第１の吸気口と、前記第２のファン用の第２の吸気口とを備えると共に、前記第１の吸気口に第１のエアフィルタが取り付けられる一方、前記第２の吸気口に第２のエアフィルタが取り付けられ、さらに前記第１のエアフィルタと第２のエアフィルタの特性が相違させられるように構成した。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１にあっては、冷却空気を供給する第１のファンと反応空気を供給する第２のファンが１個の電動モータで駆動されると共に、前記第１のファンと第２のファンと電動モータとが一体のケースに収容されるように構成したので、各ファンの取り付けスペースを減少させて燃料電池ユニットの大型化および重量増を抑制すると共に、各ファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させることができる。
【０００９】
また、請求項２にあっては、第１のファンと第２のファンを収容するケースが、前記第１のファン用の第１の吸気口と、前記第２のファン用の第２の吸気口とを備えると共に、前記第１の吸気口に第１のエアフィルタが取り付けられる一方、前記第２の吸気口に第２のエアフィルタが取り付けられ、さらに前記第１のエアフィルタと第２のエアフィルタの特性が相違させられるように構成したので、請求項１で述べた効果に加え、空気の供給先の要求に応じた最適なエアフィルタ特性を選択することができる。具体的には、冷却空気は反応空気に比して多くの流量が必要とされることから、冷却空気用の第１のエアフィルタを吸入抵抗の少ないエアフィルタとする一方、反応空気は冷却空気に比してダストの混入を減少させる必要があることから、反応空気用の第２のエアフィルタをダスト捕獲性能の高いエアフィルタとすることが可能となる。また、多くの流量が必要とされる冷却空気用に吸入抵抗の少ないエアフィルタを選択することで、電動モータの負荷を低減させることができ、消費電力を一層低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の空気供給装置の最良の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池の空気供給装置を燃料電池ユニットの一部として示す概略図である。
【００１２】
図１において、符合１０は、第１実施例に係る燃料電池の空気供給装置を備えた発電ユニットを示す。発電ユニット１０は、燃料電池１２や配管類など、発電に必要な要素が携帯自在な大きさにパッケージ化されてなる。
【００１３】
燃料電池１２（具体的には積層体（セルスタック））は、単電池１４（セル）を複数個、具体的には７０個積層して形成され、定格出力１．０５ｋｗを発生する。尚、単電池１４は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持する空気極（カソード電極）と燃料極（アノード電極）と、各電極の外側に配置されるセパレータとからなる公知の固体高分子型燃料電池であり、詳しい説明は省略する。
【００１４】
燃料電池１２には、燃料電池１２に冷却空気と反応空気を供給する空気供給系２０が接続される。空気供給系２０は、冷却空気および反応空気を吸引するエアブロワ２２と、エアブロワ２２を燃料電池１２に接続して冷却空気の流路となる冷却空気供給路２４と、エアブロワ２２を燃料電池１２の各空気極に接続して反応空気の流路となる反応空気供給路２６からなる。
【００１５】
また、燃料電池１２には、燃料電池１２に水素ガスを供給する水素ガス供給系３０が接続される。水素ガス供給系３０は、水素を高圧で封入した水素ガスボンベ３２と、水素ガスボンベ３２を燃料電池１２に接続する流路３４ａ〜３４ｄ（燃料供給路）と、それらの途中に配置された後述する各要素とからなる。
【００１６】
水素ガスボンベ３２は、手動のボンベバルブ３６を介してレギュレータ３８に接続され、レギュレータ３８は、第１の流路３４ａを介してエジェクタ４０に接続される。第１の流路３４ａの途中には、メインバルブ４２（手動弁）が配置されると共に、メインバルブ４２をバイパスする第２の流路３４ｂが接続される。第２の流路３４ｂの途中には、第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６が配置される。
【００１７】
エジェクタ４０は、第３の流路３４ｃおよび第４の流路３４ｄを介して燃料電池１２の各燃料極に接続される。尚、第３の流路３４ｃが供給側の流路であり、第４の流路３４ｄが排出側の流路である。
【００１８】
また、第１の流路３４ａにおいてメインバルブ４２の下流には、パージガス（不活性ガス。例えば窒素ガス）を燃料電池１２に供給する窒素ガス供給系５０が接続される。窒素ガス供給系５０は、窒素を高圧で封入した窒素ガスボンベ５２と、窒素ガスボンベ５２を第１の流路３４ａに接続する第５の流路５４と、それらの途中に配置された後述する各要素とからなる。
【００１９】
窒素ガスボンベ５２は、手動のボンベバルブ５６を介してレギュレータ５８に接続され、レギュレータ５８は、第５の流路５４を介して第１の流路３４ａに接続される。また、第５の流路５４の途中には、第３の電磁バルブ６０が配置される。
【００２０】
燃料電池１２には、さらに空気排出系７０が接続される。空気排出系７０は、エキゾーストマニホールド７２と、燃料電池１２をエキゾーストマニホールド７２に接続する空気排出路７４とからなる。空気排出路７４は、冷却空気排出路７４ａと反応空気排出路７４ｂに分岐されて燃料電池１２に接続されると共に、それらはエキゾーストマニホールド７２の手前で１つの流路に集合させられる。
【００２１】
また、前記したエジェクタ４０には、パージガス排出系８０が接続される。パージガス排出系８０は、エジェクタ４０をエキゾーストマニホールド７２に接続するパージガス排出路８２と、パージガス排出路８２の途中に配置された第４の電磁バルブ８４とからなる。
【００２２】
尚、図１において、水素ガスやパージガスの流路となる各流路を太い実線で示し、空気の流路となる各流路を２重線で示した。
【００２３】
図１の説明を続けると、燃料電池１２の出力端子には、出力回路１００が接続される。出力回路１００は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２およびリレー１０４を介して図示しない外部機器に接続されると共に、第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６を介してＥＣＵ１１０（電子制御ユニット）に接続される。ＥＣＵ１１０には、外部からオン・オフ自在な運転スイッチ１１２が接続されると共に、前記したリレー１０４が接続される。
【００２４】
また、燃料電池１２の各単電池１４には、電圧センサ１１６が設けられる。電圧センサ１１６は、燃料電池１２の出力電圧Ｖの大きさに応じた信号を出力し、その出力はＥＣＵ１１０に送出される。
【００２５】
次いで、上記した構成を前提に燃料電池１２の発電動作について説明する。
【００２６】
水素ガスボンベ３２に封入された高圧の水素は、ボンベバルブ３６が手動で開弁されることによってレギュレータ３８に供給される。レギュレータ３８で減圧、調圧された水素ガスは、メインバルブ４２が手動で操作（開弁）されることによって第１の流路３４ａを介してエジェクタ４０に供給され、さらに第３の流路３４ｃを介して燃料電池１２の燃料極に供給される。尚、図１に示す第１から第４の電磁バルブ４４，４６，６０，８４は、燃料電池１２の非運転時に水素ガスや窒素ガスが外部に流出するのを防止するため、燃料電池１２の運転終了時に全て閉弁されているものとする。換言すれば、第１から第４の電磁バルブ４４，４６，６０，８４は、いずれもノーマル・クローズ型の電磁バルブ（非通電時に閉弁し、通電時に開弁する電磁バルブ）である。
【００２７】
燃料電池１２の各単電池１４では、燃料極に供給された水素ガスが空気極に存在する反応空気（酸素）と電気化学反応を生じることにより、発電が開始される。尚、燃料極に供給された水素ガスのうち、空気との電気化学反応に供されなかった未反応ガスは、第４の流路３４ｄを介してエジェクタ４０に還流され、第３の流路３４ｃを介して再度燃料極に供給される。
【００２８】
燃料電池１２の発電が開始されると、その電力は出力回路１００に設けられた第２のＤＣ−ＤＣコンバータ１０６で適宜な大きさの直流電圧に変換された後、ＥＣＵ１１０に動作電源として供給される。
【００２９】
電力の供給を受けて起動させられたＥＣＵ１１０は、第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６を開弁し、第２の流路３４ｂを介して水素ガスを燃料極に供給する。また、エアブロワ２２を動作させて冷却空気を燃料電池１２に供給すると共に、反応空気を空気極に供給する。
【００３０】
各単電池１４の冷却に使用された冷却空気、および空気極を通過した反応空気は、それぞれ冷却空気排出路７４ａと反応空気排出路７４ｂを介して燃料電池１２の内部から流出した後、エキゾーストマニホールド７２を介して外部へと排出される。
【００３１】
尚、ＥＣＵ１１０が起動して第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６が開弁されると、メインバルブ４２を手動で操作する必要がなくなる。このため、ＥＣＵ１１０は、燃料電池１２の発電が開始されてＥＣＵ１１０が起動したこと、換言すれば、外部機器への電力供給の準備が整ったことを、音声や表示などの適宜な報知手段（図示せず）を介して操作者に報知する。
【００３２】
そして、外部機器への電力供給の準備が整ったことを知った操作者によって運転スイッチ１１２が手動で操作（オン）されると、ＥＣＵ１１０は、出力回路１００に設けられたリレー１０４を動作させて第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２と外部機器を導通させる。これにより、燃料電池１２で発電された電力は、第１のＤＣ−ＤＣコンバータ１０２で適宜な大きさの直流電圧に変換された後、リレー１０４を介して外部機器へと供給される。
【００３３】
また、ＥＣＵ１１０は、電圧センサ１１６の出力などに基づき、各電磁バルブを動作させて燃料電池１２のパージを実行する。具体的には、電圧センサ１１６の検出値が所定値以下に低下したとき、第２の流路３４ｂに配置された第１の電磁バルブ４４と第２の電磁バルブ４６を閉弁すると共に、第５の流路５４に配置された第３の電磁バルブ６０とパージガス排出路８２に配置された第４の電磁バルブ８４を開弁する。
【００３４】
これにより、水素ガスの供給が遮断される一方、窒素ガスボンベ５２に封入された高圧の窒素がボンベバルブ５６を介してレギュレータ５８に供給され、そこで減圧、調圧された後に第５の流路５４、エジェクタ４０および第３の流路３４ｃを介して燃料電池１２の燃料極に供給される。尚、ボンベバルブ５６は、燃料電池１２の運転開始時に操作者によって予め開弁されるものとする。
【００３５】
燃料極に供給された窒素ガスは、燃料極内に滞留した不反応ガスや生成水を燃料電池１２内から押し出しつつ、第４の流路３４ｄ、エジェクタ４０、パージガス排出路８２およびエキゾーストマニホールド７２を介して外部に排出される。
【００３６】
図２は、第１実施例に係る燃料電池の空気供給装置を構成するエアブロワの斜視図である。
【００３７】
図２に示すように、エアブロワ２２は、吸引した空気の吐出口をケース１１８に２箇所（符号１２０と１２２で示す）備える。そのうち、符号１２０で示す第１の吐出口は、前記した冷却空気供給路２４に接続される。また、符号１２２で示す第２の吐出口は、前記した反応空気供給路２６に接続される。
【００３８】
図３は、エアブロワ２２の分解斜視図であり、図４は、エアブロワ２２の断面図である。
【００３９】
以下、図３および図４を参照して説明すると、エアブロワ２２は、その中央付近にスクロールケース１２４を備える。スクロールケース１２４の内部には、1個の電動モータ１２６が収容される。
【００４０】
電動モータ１２６は、両端に出力軸を備え（一端を１２６ａ、他端を１２６ｂで示す）、それらはスクロールケース１２４の外方へと突出される。出力軸の一端１２６ａには、第１のボス１３０が取り付けられ、第１のボス１３０には、第１のファン１３２が取り付けられる。具体的には、第１のファン１３２は、第１のボス１３０と第１のファン用プレート１３４に挟持されつつ図示しないボルトによってそれらと締結固定されることにより、出力軸の一端１２６ａの外周に固定される。
【００４１】
また、スクロールケース１２４において第１のファン１３２が取り付けられた側には、第１のファン１３２を収容する第１のスクロールカバー１３６が取り付けられる。第１のスクロールカバー１３６の中央付近には、第１のファン用の第１の吸気口１３６ａが設けられ、第１の吸気口１３６ａには第１のエアフィルタ１３８が取り付けられる。
【００４２】
一方、電動モータ１２６の出力軸の他端１２６ｂには、第２のボス１４０が取り付けられ、第２のボス１４０には、第２のファン１４２が取り付けられる。具体的には、第２のファン１４２は、第２のボス１４０と第２のファン用プレート１４４に挟持されつつ図示しないボルトによってそれらと締結固定されることにより、出力軸の他端１２６ｂの外周に固定される。
【００４３】
また、スクロールケース１２４において第２のファン１４２が取り付けられた側には、第２のファン１４２を収容する第２のスクロールカバー１４６がプレート１４８を介して取り付けられる。第２のスクロールカバー１４６の中央付近には、第２のファン用の第２の吸気口１４６ａが設けられると共に、第２の吸気口１４６ａを覆うように第２のエアフィルタ１５０が図示しないボルトによって取り付けられる。
【００４４】
このように、エアブロワ２２のケース１１８は、電動モータ１２６が収容されるスクロールケース１２４と、第１のファン１３２が収容される第１のスクロールカバー１３６と、第２のファン１４２が収容される第２のスクロールカバー１４６とが一体となって構成される。
【００４５】
電動モータ１２６が駆動されると、第１のファン１３２と第２のファン１４２が回転させられる。第１のファン１３２が回転させられることにより、第１のエアフィルタ１３８を介して第１のスクロールカバー１３６内に空気が吸引され、吸引された空気は、前記した冷却空気吐出口１２０から冷却空気供給路２４へと流入し、燃料電池１２に供給される。また、第２のファン１４２が回転させられることにより、第２のエアフィルタ１５０を介して第２のスクロールカバー１４６内に空気が吸引される。吸引された空気は、前記した反応空気吐出口１２２から反応空気供給路２６へと流入し、燃料電池１２の各空気極に供給される。
【００４６】
ここで、第１のファン１３２と第２のファン１４２は、各部の寸法が相違させられる。具体的には、第１のファン１３２の羽の外側高さｂ１（図４に示す）は２６ｍｍ、内側高さｂ２は１４ｍｍに設定されるのに対し、第２のファン１４２の羽の外側高さｂ１は７ｍｍ、内側高さｂ２は５ｍｍに設定される。尚、第１のファン１３２と第２のファン１４２の羽の枚数は、共に１８枚であり、羽の内径Ｄ１および外形Ｄ２も、共にＤ１が６３ｍｍ、Ｄ２が１０５ｍｍに設定される。
【００４７】
第１のファン１３２と第２のファン１４２の各部の寸法を上記のように設定することにより、第１のファン１３２の理論流量は第２のファン１４２のそれより大きい値となる。具体的には、電動モータ１２６の回転数が７９００ｒｐｍのとき、第１のファン１３２の理論流量は２．２ｍ３／ｍｉｎとなり、第２のファン１４２の理論流量は０．２ｍ３／ｍｉｎとなる。また、第１のファン１３２の理論静圧は９００Ｐａ、第２のファン１４２の理論静圧は１０２０Ｐａとなる。即ち、第１のファン１３２と第２のファン１４２の各部の寸法は、第１のファン１３２の吸引量の方が第２のファン１４２の吸引量より大きくなるように設定される。これは、冷却空気の方が反応空気より多くの流量が必要とされるためである。
【００４８】
また、前記した第１のエアフィルタ１３８と第２のエアフィルタ１５０は、特性が相違させられる。具体的には、冷却空気の方が反応空気より多くの流量が必要とされることから、第１のエアフィルタ１３８は、第２のエアフィルタ１５０に比して吸入抵抗が小さく設定される。一方、反応空気は冷却空気に比してダストの混入を減少させる必要があることから、第２のエアフィルタ１５０は、第１のエアフィルタ１３８に比してダスト捕獲性能が高く設定される。より具体的には、第１のエアフィルタ１３８として、ウレタンスポンジ製のエアフィルタが選択されると共に、第２のエアフィルタ１５０として、５μｍ程度のダストを捕獲できる特殊フィルタが選択される。
【００４９】
このように、第１実施例に係るエアブロワ２２にあっては、冷却空気を供給する第１のファン１３２と反応空気を供給する第２のファン１４２を１個の電動モータ１２６で駆動すると共に、第１のファン１３２と第２のファン１４２と電動モータ１２６を一体のケース１１８に収容する、より具体的には、第１のファン１３２を収容する第１のスクロールカバー１３６と、第２のファン１４２を収容する第２のスクロールカバー１４６と、電動モータ１２６を収容するスクロールケース１２４を一体化させるように構成したので、各ファンの取り付けスペースを減少させて燃料電池ユニット１０の大型化および重量増を抑制すると共に、各ファンを駆動するのに必要な消費電力を低下させることができる。
【００５０】
また、第１のファン１３２と第２のファン１４２の各部の寸法を相違させる、具体的には、第１のファン１３２の吸引量の方が第２のファン１４２の吸引量より大きくなるように各部の寸法を設定するようにしたので、空気の供給先の要求に応じた最適な空気量と圧力を得ることができる。
【００５１】
さらに、第１の吸気口１３６ａに取り付けられた第１のエアフィルタ１３８と、第２の吸気口１４６ａに取り付けられた第２のエアフィルタ１５０の特性を相違させるように構成したので、空気の供給先の要求に応じた最適なエアフィルタ特性を選択することができる。より具体的には、多くの流量が必要とされる冷却空気用の第１のエアフィルタを吸入抵抗の少ないエアフィルタとする一方、ダストの混入を減少させる必要のある反応空気用の第２のエアフィルタをダスト捕獲性能の高いエアフィルタとすることが可能となる。また、多くの流量が必要とされる冷却空気用に吸入抵抗の少ないエアフィルタを選択することで、電動モータ１２６の負荷を低減させることができ、消費電力を一層低下させることができる。
【００５２】
以上の如く、この発明の第１実施例にあっては、燃料電池（１２）に冷却空気を供給する第１のファン（１３２）と、前記燃料電池（１２）の空気極に反応空気を供給する第２のファン（１４２）とを備えた燃料電池の空気供給装置において、前記第１のファン（１３２）と第２のファン（１４２）が１個の電動モータ（１２６）で駆動されると共に、前記第１のファン（１３６）と第２のファン（１４２）と電動モータ（１２６）とが一体のケース（１１８）に収容されるように構成した。
【００５３】
また、前記ケース（１１８）が、前記第１のファン用の第１の吸気口（１３６ａ）と、前記第２のファン用の第２の吸気口（１４６ａ）とを備えると共に、前記第１の吸気口（１３６ａ）に第１のエアフィルタ（１３８）が取り付けられる一方、前記第２の吸気口（１４６ａ）に第２のエアフィルタ（１５０）が取り付けられ、さらに前記第１のエアフィルタ（１３８）と第２のエアフィルタ（１５０）の特性が相違させられるように構成した。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池の空気供給装置を燃料電池ユニットの一部として示す概略図である。
【図２】図１に示すエアブロワの斜視図である。
【図３】図１に示すエアブロワの分解斜視図である。
【図４】図１に示すエアブロワの断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１２      燃料電池
２２      エアブロワ
１１８    ケース
１２６    電動モータ
１３２    第１のファン
１３６ａ  第１の吸気口
１３８    第１のエアフィルタ
１４２    第２のファン
１４６ａ  第２の吸気口
１５０    第２のエアフィルタ
【図１】
2005036736.tif 000003
【図２】
2005036736.tif 000004
【図３】
2005036736.tif 000005
【図４】
2005036736.tif 000006