(57)【要約】【課題】電力消費量や騒音、振動を抑制し、システム全体の簡素化及び小型化を図る。【解決手段】水素循環系における水素循環ポンプ５と空気供給系におけるエアコンプレッサ６とを同一の駆動モータ１１で駆動する構成とする。また、水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６にはそれぞれ回転数個別制御用プーリ９，１０を取り付け、さらに、水素循環ポンプ５と燃料電池１のアノード１ａ側出口の間、及び燃料電池１のカソード１ｂ側出口に温度計１４，１５を設ける。そして、これら温度計１４，１５の検出値に応じて、駆動力伝達用ベルト１３が掛け渡される位置でのプーリ９の径とプーリ１０の径とを相対的に変化させることで、駆動モータ１１に対する水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６との回転数比を個別に制御できるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノードから排出された燃料ガスを循環させて燃料電池のアノードへ再度供給するための燃料ガス循環ポンプと、燃料電池のカソードへ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給装置とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とが同一の駆動モータにより駆動されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置には、それぞれ前記駆動モータに対する回転数比を変化させる変速手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料ガス循環ポンプと燃料電池のアノード側出口との間、及び前記燃料電池のカソード側出口にそれぞれ温度計が設けられ、これら温度計によって検出された温度に応じて、前記回転数比が変更されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置には、前記変速手段として勾配を有するプーリが設けられ、これらプーリが１本のベルトにより前記駆動モータとそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記勾配を有するプーリと前記ベルトの相対位置を変化させることで前記回転数比を変化させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とで、前記勾配を有するプーリの前記ベルトに対する挿入方向が互いに逆方向とされていることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素循環ポンプ等の燃料ガス循環ポンプとエアコンプレッサ等の酸化剤ガス供給装置とを備えた水素循環方式の燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極（アノード）に水素を含む燃料ガス、酸化剤極（カソード）に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、これら燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とを燃料電池内において電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、燃料電池内部の全ての領域で均等に電気化学反応を生じさせて効率の良い発電を行わせるために、燃料電池のアノードには、要求される発電量に見合う水素量よりも多目の水素を供給するのが一般的である。このとき、燃料電池のアノードから排出されるガスには、発電に使用されなかった未使用の水素が多く含まれており、このアノード排ガスをそのまま外部に排出したのでは水素の利用効率が悪く、燃費の低下に繋がることになる。そこで、従来より、燃料電池のアノードから排出される未使用の水素を循環させて再利用する水素循環方式の燃料電池システムが種々提案されている（例えば、特許文献１等を参照。）。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池のアノードから排出される水素を燃料ガス循環ポンプ（水素ポンプ）により循環させ、水素供給源からの水素と混合させて燃料電池のアノードに供給するとともに、フィルタで濾過した空気を酸化剤ガス供給装置（ブロワ）により燃料電池のカソードに送り込む構成の燃料電池システムが記載されている。この特許文献１に記載の燃料電池システムのように、水素循環方式の燃料電池システムでは、水素を循環させて燃料電池のアノードに供給するための燃料ガス循環ポンプや、酸化剤ガス（空気）を燃料電池のカソードに供給するためのブロアやエアコンプレッサ等の酸化剤ガス供給装置が必須の構成要素となるが、これまで、これら燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とは、それぞれ個別の駆動系によって駆動されるようになっていた。
【特許文献１】特開２００２−３２４５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水素循環方式の燃料電池システムにおいて必須の構成要素である燃料ガス循環ポンプや酸化剤ガス供給装置は、装置自体の電力消費が比較的大きいという問題があり、従来のようにこれらを個別の駆動系で駆動するようにすると、結果として燃料電池システムの総発電量が減少してしまうことになる。また、前記駆動系は、一般に作動時の音や振動が大きいため、駆動系の数が多ければそれだけ騒音等の原因となり、定置用、車載用の何れにおいても問題となる。さらに、燃料ガス循環ポンプの駆動系と酸化剤ガス供給装置の駆動系とが別々であると、２つの駆動系それぞれに対してスペースの確保が必要であり、燃料電池システムの小型化を図る上での障害となるという問題もある。
【０００６】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、電力消費量を抑制して総発電量を十分に確保することができ、システム全体の簡素化及び小型化が可能で、騒音や振動も少ない燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノードから排出された燃料ガスを循環させて燃料電池のアノードへ再度供給するための燃料ガス循環ポンプと、燃料電池のカソードへ酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給装置とを備えている。このような燃料電池システムにおいて、本発明では、前記目的を達成すべく、燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とが同一の駆動モータにより駆動されるようにした。
【０００８】
燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給装置とで駆動モータを兼用とすれば、２台必要であった駆動モータが１台で済むので、その分駆動モータでの消費電力が削減され、燃料電池システムの総発電量の減少が最低限で済む。また、駆動モータの数を減らせるので、その分、騒音や振動が抑えられるとともに、省スペース化及びシステム構成の簡素化、小型化が実現されることになる。
【０００９】
また、本発明では、同一の駆動モータによる燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置の駆動を実現するにあたって、その詳細構造、制御手法を提案する。具体的には、燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置には、それぞれ駆動モータに対する回転数比を変化させる変速手段を設けることとし、さらには、燃料ガス循環ポンプと燃料電池のアノード側出口の間、及び燃料電池のカソード側出口にそれぞれ温度計を設け、これら温度計によって検出された温度に応じて前記回転数比を変更するようにしている。
【００１０】
燃料電池のアノード側の経路は循環経路になっており、閉じた経路になっているため、燃料電池の温度上昇とともに水蒸気や窒素が経路内に溜まり、燃料電池に供給する水素供給量を酸素供給量よりも多くする必要が出てくる。このとき、駆動モータを兼用し、水素循環ポンプ及びエアーコンプレッサの回転数を常時同回転数で制御した場合、燃料電池への水素供給量が不足する事態に陥り、必要電流を取り出すことが不可能な状態になるという問題点がある。
【００１１】
本発明の燃料電池システムでは、燃料電池のアノード側出口の間、及び燃料電池のカソード側出口にそれぞれ温度計を設け、それぞれアノード経路、カソード経路内の水蒸気・窒素分圧を計算するための温度測定を行うようにしており、それに応じて燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置の個別の回転数制御が実現されるので、状態に応じてそれぞれのガスがタイムリーに必要量だけ燃料電池に供給されることになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムによれば、同一の駆動モータで燃料ガス循環ポンプと酸化剤ガス供給措置との双方を駆動させるようにしているので、電力消費量を抑制することが可能であり、総発電量を十分に確保することが可能である。また、駆動モータが共用されることにより、システム構成の簡素化や小型化を実現することができ、騒音や振動の低減を図ることも可能となる。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池システムによれば、簡単な機構によって燃料ガス循環ポンプ及び酸化剤ガス供給装置の回転数を各々個別に制御することができ、燃料電池の状態に応じて各ガスをタイムリーに必要量だけ燃料電池に供給することができる。したがって、例えば水素供給量の不足により燃料電池から必要電流を取り出すことができなくなるというような事態を未然に回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示すものである。本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように水素循環方式の燃料電池システムとして構成されており、主に、発電を行う燃料電池１と、この燃料電池１に燃料ガスである水素を供給する水素供給手段、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給手段を備えている。
【００１６】
燃料電池１は、水素が供給されるアノード１ａと、空気が供給されるカソード１ｂとが電解質を挟んで重ね合わされて構成される発電セルを主要な構成要素とするものであり、例えば、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造とされている。
【００１７】
燃料電池１の各発電セルは、水素供給手段から供給される水素と空気供給手段から供給される空気中の酸素とによる電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換する。すなわち、各発電セルのアノード１ａでは、水素供給手段から水素が供給されることで水素イオンと電子とに解離する反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード１ｂ側にそれぞれ移動する。一方、カソード１ｂでは、空気供給手段から供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。
【００１８】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１９】
水素供給手段は、燃料電池１の各発電セルのアノード側に水素を供給するためのものであり、例えば、水素タンク等の水素供給源２の他、水素供給流路３、及び水素循環系を有している。また、水素循環系は、水素循環流路４及び水素循環ポンプ（燃料ガス循環ポンプ）５を有している。この水素供給手段では、水素供給源２から供給される燃料ガスとしての水素は、例えば水素調圧弁（図示は省略する。）で所望の圧力に調圧された上で、水素供給流路３を通って燃料電池１のアノード１ａに送り込まれる。また、燃料電池１に供給された水素はそのときの発電で全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池１のアノード１ａから排出されるアノード排ガス）は、水素循環流路４を通って水素循環ポンプ５により循環され、新たに水素供給源２から供給される水素と混合されて、再び燃料電池１のアノード１ａに供給される。
【００２０】
一方、空気供給手段は、外気を吸入して燃料電池１のカソード１ｂに空気を圧送するためのエアコンプレッサ６（空気供給装置）と、必要に応じてマイクロダストや硫黄分、エアコンプレッサ６から排出されるオイル等をトラップするフィルタ（図示は省略する。）等が設けられた空気供給流路７と、燃料電池１のカソード１ｂから排出されるカソード排ガスを外気へ放出するための空気排気流路８とを有している。そして、この空気供給手段では、エアコンプレッサ６によって空気供給流路７に空気が圧送され、必要に応じて加湿装置等により加湿された後、燃料電池１のカソード１ｂに供給される。また、燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気流路８から外気に放出される。なお、空気供給装置としては、エアコンプレッサ６以外にも、ブロア等のモータを駆動源として空気供給を行う他の装置を採用するようにしてもよい。
【００２１】
以上が本実施形態の燃料電池システムの基本的な構成であるが、次に、前記水素供給手段の水素循環系における水素循環ポンプ５及び空気供給手段におけるエアコンプレッサ６の駆動構造について説明する。
【００２２】
前記水素循環ポンプ５やエアコンプレッサ６は、いずれも駆動モータによって回転軸を回転駆動することにより動作する。したがって、通常は、水素循環ポンプ５やエアコンプレッサ６の回転軸に取り付けられたプーリと駆動用モータの駆動軸に取り付けられたプーリ間に駆動力伝達用のベルトを掛け渡し、駆動用モータの回転を水素循環ポンプ５やエアコンプレッサ６の回転軸に伝達し、これらの回転軸を回転駆動して水素の循環、あるいは空気の供給を行う。
【００２３】
本実施形態では、水素循環ポンプ５の回転軸５ａとエアコンプレッサ６の回転軸６ａとに回転数個別制御用プーリ（変速手段）９，１０がそれぞれ取り付けられるとともに、これら回転数個別制御用プーリ９，１０と駆動用モータ１１のプーリ１２との間に１本の駆動力伝達用ベルト１３が掛け渡され、駆動用モータ１１の駆動力を水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６の双方に伝達するように構成されている。すなわち、本実施形態では、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６とが、同一の駆動用モータ１１を駆動源として駆動される構成となっている。
【００２４】
以上のように、駆動用モータ１１を水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６とで兼用する場合、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６によって水素及び空気を燃料電池１に送る際、前記駆動力伝達用ベルト１３によって動力が各回転数個別制御用プーリ９，１０に伝達される。このとき、同一の駆動用モータ１１によって水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６の双方を駆動しているので、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６とは、基本的には同じ回転数で制御されることになる。
【００２５】
通常、水素分子２つに対し、酸素分子が１つ送られるような流量を維持すれば、燃料電池１における化学反応が実現される。したがって、同一回転数時に水素供給流量：酸素供給流量＝２：１が維持されるような水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６を選定することで、前記関係が維持され燃料電池１における化学反応が円滑に進行することになる。
【００２６】
ところで、エアコンプレッサ６で供給される空気（酸素）は、燃料電池１で反応後、外気に放出されるため、カソード１ｂ側の経路に水蒸気や窒素が溜まることはないが、例えば高出力を必要とする領域に移行するに伴って、酸素供給量を増加させる必要がある。一方、アノード１ａ側では、未反応水素を排出せず、完全に反応させるために水素循環流路４によって循環させている。このため、燃料電池１のアノード１ａ側の温度上昇とともに、水蒸気や窒素等が溜まってくる。この場合、水素供給量を増加させて、水素供給量が不足する事態を回避する必要がある。
【００２７】
このように、起動開始直後から最大出力時までの間には、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６にかかる負荷は相対的に変化し、例えば燃料電池１の温度の上昇とともに、アノード１ａ側の水素供給流量、カソード１ｂ側の酸素供給流量を増加させる必要が出てくる。このとき、アノード１ａ側では、水蒸気や窒素分圧を考慮して、酸素供給量の増加に比べて水素供給量の増加をより多くする必要がある。したがって、水素循環ポンプ５の回転数をエアコンプレッサ６の回転数を高くする必要があり、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６とを同じ回転数で制御したのでは、これに対応することができない。
【００２８】
そこで、本実施形態では、燃料電池１のアノード１ａ側の出口と水素循環ポンプ５との間、及びカソード１ｂ側の出口に温度計１４，１５をそれぞれ設置するとともに、前記プーリ９，１０として、回転軸方向の径に勾配を有するプーリを用い、必要に応じてプーリ９，１０を回転軸方向に相対移動させることで個別の回転数制御を可能とし、前記負荷変動に対応可能としている。
【００２９】
前記プーリ９，１０は、いずれも基端部の径が大きく、先端部の径が小さい、いわゆる円錐台形状であり、先端に向かって次第に径が小さくなるような勾配を有する。したがって、これらプーリ９，１０の駆動力伝達用ベルト１３への挿入位置を変化させ、駆動用モータ１１のプーリ１２に対して相対的に径を変更することで、水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６において個別に回転数が制御可能である。本実施形態では、このような回転軸方向の径に勾配を有するプーリ９，１０を用い、前記温度計１４，１５で検出される温度情報に基づいて、これらプーリ９，１０の駆動力伝達用ベルト１３への挿入位置を変化させることで、駆動用モータ１１に対する水素循環ポンプ５及びエアコンプレッサ６の回転数比を個別に変更できるようにしている。
【００３０】
例えば、燃料電池１へ小流量の水素、空気を供給する場合には、図２に示すように、駆動力伝達用ベルト１３をプーリ９の径Ｒ１とプーリ１０の径Ｒ２がほぼ同じになるような位置に配置した状態とし、駆動用モータ１１の回転数を低く制御する。これにより、燃料電池１のアノード１ａ、カソード１ｂには、所定の割合で小流量の水素、及び空気（酸素）が供給されることになる。
【００３１】
同様に、燃料電池１に大流量の水素、空気を供給する場合にも、図２に示すように、駆動力伝達用ベルト１３をプーリ９の径Ｒ１とプーリ１０の径Ｒ２がほぼ同じ（Ｒ１≒Ｒ２）になるような位置に配置した状態とし、駆動用モータ１１の回転数を高く制御する。これにより、燃料電池１のアノード１ａ、カソード１ｂには、いずれも所定の割合で大流量の水素、及び空気（酸素）が供給される。
【００３２】
ただし、実際には、駆動用モータ１１の回転数を大きくしたり小さくしたりすることで流量を変化させるだけでなく、アノード１ａ側の温度上昇にしたがって水素循環系内の水蒸気、窒素分圧が上昇してくるため、水素循環系内の水蒸気、窒素分圧増加分による水素供給流量減少を補正する必要がある場合がある。この場合には、水素循環ポンプ５による水素供給流量の増加を、エアコンプレッサ６による空気供給流量の増加よりも大きくする必要がある。
【００３３】
このような場合には、図３に示すように、水素循環ポンプ５を矢印Ａ方向に移動するとともに、エアコンプレッサ６を矢印Ｂ方向に移動し、駆動力伝達用ベルト１３が掛け渡される位置でのプーリ９の径Ｒ１が相対的に大、プーリ１０の径Ｒ２が相対的に小となるよう（Ｒ１＞Ｒ２となるよう）に配置して駆動する。これにより、水素循環ポンプ５による水素供給流量がエアコンプレッサ６による空気供給流量よりも相対的に大となり、前記水蒸気、窒素分圧増加分による純水素供給量減少が補正されることになる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給手段の水素循環系における水素循環ポンプ５と、空気供給手段におけるエアコンプレッサ６とを、同一の駆動モータ１１により駆動させるようにしているので、それぞれ個別の駆動モータで駆動させる場合に比べて電力消費量を抑制することが可能であり、総発電量を十分に確保することが可能である。また、駆動モータ１１の共有化により、システム構成の簡素化や小型化を実現することができ、また、騒音や振動の低減を図ることも可能となる。
【００３５】
さらに、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１のアノード１ａ側の出口と水素循環ポンプ５との間、及びカソード１ｂ側の出口に温度計１４，１５をそれぞれ設置するとともに、水素循環ポンプ５の回転軸５ａとエアコンプレッサ６の回転軸６ａとに、回転軸方向の径に勾配を有するプーリを取り付けて、温度計１４，１５の検出値に応じて、駆動モータ１１の駆動力を伝達するための駆動力伝達用ベルト１３が掛け渡される位置でのプーリ９の径とプーリ１０の径とを相対的に変化させて、水素循環ポンプ５とエアコンプレッサ６との回転数制御を負荷に応じて個別に行えるようにしてるので、簡単な構造で、燃料電池１の状態に応じて燃料ガス及び酸化剤ガスをタイムリーに必要量だけ燃料電池１に供給することができる。したがって、例えば水素供給量の不足により燃料電池１から必要電流を取り出すことができなくなるというような事態を未然に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの基本構成を示す図である。
【図２】駆動力伝達用ベルトの掛け渡し状態の一例を示すものであり、水素循環ポンプとエアコンプレッサとでプーリ径が同じになる位置に駆動力伝達用ベルトを配置した状態を示す図である。
【図３】駆動力伝達用ベルトの掛け渡し状態の他の例を示すものであり、水素循環ポンプとエアコンプレッサとでプーリ径が異なる位置に駆動力伝達用ベルトを配置した状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  燃料電池
１ａ  アノード
１ｂ  カソード
５  水素循環ポンプ
６  エアコンプレッサ
９，１０  回転数個別制御用プーリ
１１  駆動用モータ
１２  プーリ
１３  駆動力伝達用ベルト
１４，１５  温度計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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