(57)【要約】  【課題】カソード極に酸化剤ガスを供給する容積型のコンプレッサの特性と、カソード極からの排気エネルギーによって駆動されるタービンの特性とを適合させ、システム性能を向上させる。  【解決手段】燃料電池スタック１のカソード極１ｂに空気（酸素）を圧送する容積型のコンプレッサ７とカソード極１ｂからの排気によって駆動されるタービン１０とを変速比可変の変速機１２を介して連結し、ＥＣＵ２０により燃料電池スタック１の発電量に応じて変速機１２の変速比を制御する。これにより、タービン１０の駆動回転特性とコンプレッサ７の駆動回転特性とを互いに適合させてカソード極１ｂの圧力変動を抑え、タービン１０、コンプレッサ７、カソード極１ｂの電極反応のそれぞれの効率を良好に維持し、システムの性能を向上させることができる。【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極に燃料ガスを供給すると共にカソード極に酸化剤ガスを供給し、上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとの反応により発電させる燃料電池システムにおいて、
上記カソード極に上記酸化剤ガスを圧送する容積型コンプレッサと上記カソード極から排出される排気によって駆動されるタービンとを連結する変速比可変の変速機と、
上記変速機の変速比を、上記燃料電池の発電量に応じて可変制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記制御手段は、上記燃料電池の発電量が小さい領域では、上記コンプレッサの回転数に対する上記タービンの回転数の比が大きくなるように上記変速機の変速比を制御し、上記燃料電池の発電量が大きい領域では、上記コンプレッサの回転数に対する上記タービンの回転数の比が小さくなるように上記変速機の変速比を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
上記変速機は、無段変速機であることを特徴とする請求項１又は２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、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池の開発が進められている。この燃料電池は、酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うものであり、中でも、イオン交換膜によってアノード極とカソード極とを分離する固体高分子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得られる。
【０００３】
このような燃料電池では、一般に、燃料ガスとして水素を用い、酸化剤ガスとして酸素を用いており、アノード極に、水素ガスを直接、或いはガソリンやメタノール等の原燃料を改質して水素ガスを供給し、カソード極に、酸素ガスとして空気をコンプレッサによって圧送している。コンプレッサの駆動は、特許文献１に開示されているように、燃料電池から排出される排気エネルギーを利用してタービンを回し、このタービンによってコンプレッサを駆動する方式が知られている。
【特許文献１】特開平１１−３０７１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池からの排気エネルギーで駆動されるタービンは、低負荷・低流量域では比較的回転数が低く、負荷が増加して流量が増えると回転数が急激に高くなる速度型（ターボ型）の特性を有している。従って、このタービンの特性に合わせるため、コンプレッサも遠心式或いは速度型のものを用いることが多い。
【０００５】
しかしながら、速度型のコンプレッサは、低回転域の圧力が低く、また、過渡運転時の圧力の立上がりが遅いことから、燃料電池の発電レスポンスが悪くなるという問題があり、一方、リショルム型やスクロール型等の容積型のコンプレッサでは、回転速度領域が速度型に比べて低く、タービンの回転速度領域と合わないという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、カソード極に酸化剤ガスを供給する容積型のコンプレッサの特性と、カソード極からの排気エネルギーによって駆動されるタービンの特性とを適合させ、システム性能を向上させることのできる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】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のアノード極に燃料ガスを供給すると共にカソード極に酸化剤ガスを供給し、上記燃料ガスと上記酸化剤ガスとの反応により発電させる燃料電池システムにおいて、上記カソード極に上記酸化剤ガスを圧送する容積型コンプレッサと上記カソード極から排出される排気によって駆動されるタービンとを連結する変速比可変の変速機と、上記変速機の変速比を、上記燃料電池の発電量に応じて可変制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
その際、燃料電池の発電量が小さい領域では、コンプレッサの回転数に対するタービンの回転数の比が大きくなるように変速機の変速比を制御し、燃料電池の発電量が大きい領域では、コンプレッサの回転数に対するタービンの回転数の比が小さくなるように変速機の変速比を制御することが望ましく、変速機としては、無段変速機を採用することが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、カソード極に酸化剤ガスを供給する容積型のコンプレッサとカソード極から排出される排気によって駆動されるタービンとを変速比可変の変速機によって連結し、変速機の変速比を燃料電池の発電量に応じて可変制御することにより、容積型のコンプレッサの特性とタービンの特性とを適合させることができ、システム性能を向上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、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の一形態に係り、燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。
【００１１】
図１に示す燃料電池システムにおいて、符号１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池スタックである。この燃料電池スタック１は、本形態においては、イオン交換膜によってアノード極１ａとカソード極１ｂとを分離する高出力密度型の固体高分子型燃料電池であり、例えば、自動車等に搭載される。
【００１２】
燃料電池スタック１のアノード極１ａ入口側には、燃料供給用配管２を介して燃料タンク３が接続されており、この燃料タンク３からの燃料ガス（水素ガス、或いはガソリンやメタノール等の原燃料を改質した水素ガス）が、アノード極１ａ出口側と燃料供給用配管２とを接続する循環用配管４に介装されたポンプ５によって回収されるオフガス（未反応ガス）と共に、アノード極１ａ内に供給される。尚、ポンプ５は、モータ５ａによって駆動される。
【００１３】
また、燃料電池スタック１のカソード極１ｂ入口側には、酸化剤ガスとして空気（酸素）を供給するための空気供給用配管６が接続され、この空気供給用配管６に、モータ７ａによって駆動されるコンプレッサ７が介装されている。コンプレッサ７の上流側にはエアフィルタ８が介装され、このエアフィルタ８によって清浄化された空気がコンプレッサ７によってカソード極１ｂ内に圧送される。コンプレッサ７は、リショルム型、スクロール型、ルーツ型等の容積型のコンプレッサであり、高出力密度型の燃料電池スタック１に対し、カソード極１ｂに電気化学的に必要な量よりも過剰な空気を圧送する。
【００１４】
更に、燃料電池スタック１のカソード極１ｂ出口側には、電気化学的に余剰となった酸素ガス及びカソード極１ｂ内で発生した水分を、カソード極１ｂから排出するための排気用配管９が接続されている。この排気用配管９には、カソード極１ｂからの排気エネルギーによって駆動されるタービン１０が介装され、タービン１０の下流側に消音器１１が接続されている。
【００１５】
タービン１０は、変速機１２を介してコンプレッサ７と連結され、カソード極１ｂからの排気エネルギーを回収する。すなわち、カソード極１ｂにおいて電気化学的に使用されなかった余剰の空気は、未だかなりの圧力をもっているため、カソード極１ｂからの排気によってタービン１０を駆動し、変速機１２を介して結合されたコンプレッサ７に駆動力の一部を供給することで、排気エネルギーの一部を回収する。
【００１６】
変速機１２は、ベルト式無段変速機（ＣＶＴ）等の変速比可変の変速機であり、電子制御装置（ＥＣＵ）２０によって変速比が可変制御される。ＥＣＵ２０は、マイクロコンピュータ等を中心として構成される制御ユニットであり、燃料電池スタック１の発電電圧をモニタしながら、ポンプ５のモータ５ａ及びコンプレッサ７のモータ７ａを駆動制御し、燃料タンク３から燃料供給用配管２を介してアノード極１ａに燃料ガスを供給すると共に、コンプレッサ７によって空気供給用配管６から空気（酸素ガス）をカソード極１ｂに供給し、燃料電池スタック１の燃料ガスと酸化剤ガスとの反応による発電を制御する。
【００１７】
同時に、ＥＣＵ２０は、燃料電池スタック１の発電量に応じて変速機１２の変速比を制御し、タービン１０の駆動回転特性とコンプレッサ７の駆動回転特性とを互いに適合させる。すなわち、タービン１０は、低負荷・低流量域では比較的回転数が低く、負荷が増加して流量が増えると回転数が急激に高くなる速度型（ターボ型）の特性を有しており、一方、コンプレッサ７は、容積型であるため、負荷・流量にほぼ比例した回転数となる特性を有していることから、タービン１０及びコンプレッサ７の負荷に応じて変速機１２の変速比を可変することにより、両者を適合させて燃料電池スタック１の排気エネルギーを有効に回収する。
【００１８】
タービン１０及びコンプレッサ７に対する負荷の指標としては、吸排気量との相関が高い燃料電池スタック１の発電量Ｗを用いる。そして、低負荷の発電量Ｗが小さい領域では、タービン１０の回転数Ｎｔとコンプレッサ７の回転数Ｎｃとの比（Ｎｔ／Ｎｃ）が大きくなるように変速機１２の変速比を制御し、高負荷の発電量Ｗが大きい領域では、回転数比（Ｎｔ／Ｎｃ）が小さくなるように変速機１２の変速比を制御することにより、タービン１０及びコンプレッサ７を流れる流量を負荷に比例させることができる。
【００１９】
これにより、カソード極１ｂの圧力変動を抑えて、タービン１０、コンプレッサ７、カソード極１ｂの電極反応のそれぞれの効率を良好に維持することができ、しかも、容積型のコンプレッサ７を使用することから、低回転時に圧力が低下することがなく、過渡時の圧力レスポンスを向上して燃料電池スタック１の発電レスポンスを向上させることができ、システムの性能を向上させることができる。また、コンプレッサ７を駆動するモータ７ａには、比較的低速型のモータを使用することが可能となり、騒音及びコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池システムの全体構成を示す説明図
【符号の説明】
【００２１】
１    燃料電池スタック
１ａ  アノード極
１ｂ  カソード極
７    コンプレッサ
１０  タービン
１２  変速機
２０  電子制御装置
代理人      弁理士      伊    藤      進
【図１】
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