(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池オフガスを再循環させる際に、モータ部に腐食の発生する虞のない燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１から排出されるオフガスを吸入する吸入部５と、該吸入部と連通されるとともに該吸入部に吸入されたオフガスを圧縮する際の駆動源となるモータを収容するモータ部６と、から構成される圧縮手段を具備する燃料電池システムにおいて、モータ部を吸入部よりも高圧状態にさせるモータ部加圧手段２を備える。【選択図】図１
2005203261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出されるオフガスを吸入する吸入部と、該吸入部と連通されるとともに該吸入部に吸入されたオフガスを圧縮する際の駆動源となるモータを収容するモータ部と、から構成される圧縮手段を具備する燃料電池システムであって、前記モータ部を前記吸入部よりも高圧状態にさせるモータ部加圧手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に供給される燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料ガス貯蔵手段を備え、前記モータ部加圧手段は、前記燃料ガス貯蔵手段に貯蔵されている前記燃料ガスを前記モータ部内に充満させることにより前記高圧状態を生じさせ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】
前記燃料ガスを調圧する調圧手段を備え、該調圧手段は前記燃料ガス貯蔵手段と前記モータ部との間に配置されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、燃料の利用効率を高めるため、燃料電池に一旦供給されて一部未反応のまま排出される燃料水素を含むオフガスを、燃料電池に再循環させることが行われている。特許文献１には、燃料電池本体から排出される残存酸素、又は残存水素をそれぞれ循環ポンプ、又はコンプレッサを利用して燃料電池本体への酸素／水素供給ラインに戻して、閉ループを組み、循環させるようにした固体高分子電解質燃料電池システムが開示されている。また、かかる技術分野における関連技術を開示するものとして、特許文献２が挙げられる。
【特許文献１】特開平７−２４０２２０
【特許文献２】特開２００３−１７８７８２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、燃料電池本体から排出される残存酸素、又は残存水素中には燃料電池内で生成された水分が含まれるため、この水分が循環ポンプの燃料オフガス吸入部と連通しているモータ部に浸入すると、モータ部の腐食が発生してしまうという問題があった。
【０００４】
そこで本発明は、燃料電池オフガスを再循環させる際に、モータ部に腐食の発生する虞のない燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項１に記載の発明は、燃料電池から排出されるオフガスを吸入する吸入部と、該吸入部と連通されるとともに該吸入部に吸入されたオフガスを圧縮する際の駆動源となるモータを収容するモータ部と、から構成される圧縮手段を具備する燃料電池システムであって、モータ部を吸入部よりも高圧状態にさせるモータ部加圧手段を備えることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料ガス貯蔵手段を備え、モータ部加圧手段は、燃料ガス貯蔵手段に貯蔵されている燃料ガスをモータ部内に充満させることにより高圧状態を生じさせることを特徴とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、燃料ガスを調圧する調圧手段を備え、調圧手段は燃料ガス貯蔵手段とモータ部との間に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載される燃料電池システムによれば、モータ部加圧手段によって、モータ部を吸入部よりも高圧状態にすることができる。したがって、吸入部により吸入されるオフガス中に含まれる水分がモータ部内に浸入するのを抑制して、水分浸入に起因するモータ部の腐食を防止することが可能となる。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、燃料ガス貯蔵手段に貯蔵されている燃料ガスにより高圧状態を発生するので、高圧状態を発生させるために新たな装置を追加する必要がないという利点がある。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、モータ部と燃料ガス貯蔵手段との間に調圧手段が配置されているので、モータ部内の圧力はほぼ一定に保たれる。したがって、モータ部内に圧力変化が生じることに起因するモータ部のシール損傷を未然に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。この第１実施形態にかかる燃料電池システム１０は、燃料電池１と、燃料電池１から排出されるオフガスを燃料電池１に再循環させる圧縮手段２と、燃料電池１へ供給する燃料水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク３とを備えている。圧縮手段２は、圧縮室４、吸入室５、及び、モータ室６をこの順に配置して備えている。吸入室５は圧縮室４の上記再循環経路上流側（吸入側）に配置されている。吸入室５とモータ室６とは隔壁７により仕切られている。圧縮室４内には圧縮機４ａが配置されている。また、モータ室６内にはモータ６ａが配置されている。モータ６ａにより発生した駆動力を伝える駆動軸８はモータ室６から隔壁７を貫通して吸入室５を通過後、圧縮機４ａに連結されている。隔壁７を駆動軸８が貫通する部位は、適宜軸シール等により所定レベルの気密が保たれている。燃料電池１の排気ポート１ａから吸入室５へとガス通路１１が配設されている。また、圧縮室４の下流側（吐出側）から燃料電池１の吸入ポート１ｂへとガス通路１２、１３が配設されている。
【００１２】
一方、高圧水素タンク３のガス出口ポート３ａからモータ室６へと、ガス通路１４が配設されている。モータ室６からガス通路１５が導き出され、前記ガス通路１３と合流されている。モータ室６において、ガス通路１４が導き入れられている部位と、ガス通路１５が導き出されている部位とは離隔して配置されている。ガス通路１５にはレギュレータ９が設置されている。
【００１３】
かかる構成において、まず、燃料電池１から排出されるオフガスの再循環について説明する。モータ６ａが回転されると、その回転力は駆動軸８を介して圧縮機４ａに伝えられ、圧縮機４ａが動作することにより上記オフガスが圧縮されて、ガス通路１２、１３を介して再び燃料電池１の吸入ポート１ｂへとオフガスが送り出される。同時に圧縮室４の吸入側に配置されている吸入室５に負圧が生じ、燃料電池１の排気ポート１ａから排出されるオフガスがガス通路１１を介して吸入室５へと導き入れられる。
【００１４】
一方、高圧水素タンク３からの燃料水素ガスは、燃料電池１へ以下に示すように供給される。高圧水素タンク３内に貯蔵されている高圧の燃料水素ガスは、タンクのガス出口ポート３ａが開放されることにより、自らの圧力によりガス通路１４を経て、モータ室６へと侵入する。そしてモータ室６内に満たされた後、モータ室６からガス通路１５、レギュレータ９、及びガス通路１３に至る。そしてガス通路１３において上記ガス通路１２を通じて再循環されてくるオフガスと合流されて、燃料電池１の吸入ポート１ｂへと導かれ、燃料電池１内に燃料水素ガスとして供給されて使用に供される。
【００１５】
上記構成において、高圧水素タンク３から、ガス通路１４、モータ室６、及び、ガス通路１５を経て、レギュレータ９に至る間の燃料水素ガスの圧力は、高圧水素タンク３のガス圧Ｖ１と基本的に同一である。一方、燃料電池１の排気ポート１ａからガス通路１１、吸入室５、圧縮室４、ガス通路１２、及びガス通路１３を経て燃料電池１の吸入ポート１ｂへと至る間のガス圧は、主に圧縮機４ａにより発生される圧力や、燃料電池１自体の排気圧などにより決まる圧力Ｖ２に支配される。そして通常、
Ｖ１＞＞Ｖ２
であるので、モータ室６内の圧力Ｖ１は、吸入室５内の圧力Ｖ２よりも十分に高くなる。上記したように、吸入室５とモータ室６とを仕切る隔壁７をモータ６ａの駆動軸８が貫通しているため、隔壁７と、駆動軸８との間には軸シール等により気密が保たれているものの、必ずしもこの気密は十分なものとはいえず、従来は、吸入室５内のオフガスがモータ室６内に浸入する虞があった。しかし上記のような構成をとることによりドライな水素により高圧に保たれているモータ室６内に、これより低圧である吸入室５側からオフガスが浸入することが抑制される。したがって、オフガス中に含まれる水分によって、モータが腐食する等の不良発生を防止することが可能となる。また、貯蔵されている燃料水素ガスにより高圧状態を発生させるので、新たな圧力発生手段を設ける必要がない。
【００１６】
また、ガス通路１５にはレギュレータ９が設置されており、これによって、燃料水素ガスの圧力が適度に調整されるので、ガス通路１３では、燃料水素ガスと再循環されてきたオフガスとが合流して燃料電池１の吸入ポート１ｂへと導かれ、ガス通路１２内をオフガスが逆流されることが防止される。
【００１７】
また、高圧水素タンク３から排出されて断熱膨張により低温となった燃料水素ガスがモータ室６内に流通されるので、これによりモータ６ａの冷却が行われる。モータ室６において、ガス通路１４が導き入れられている部位と、ガス通路１５が導き出されている部位とは離隔して配置されているので、モータ室６内を満遍なく冷却することもできる。したがって、モータ６ａに水冷装置や冷却フィンなどを設置を省略することが可能となる。
【００１８】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。なお、図２の燃料電池システム２０において、第１実施形態の燃料電池システム１０と同一部材が使用されている場合には、第１実施形態の燃料電池システム１０を表した図１と同一の参照符号を付して、それらの説明を省略することがある。以下の図においても同様とする。
【００１９】
図示の燃料電池システム２０は、燃料水素ガスの圧力調整をするレギュレータ９が、ガス通路１４内に配置されている点で、レギュレータ９がガス通路１５内に配置されている第１実施形態の燃料電池システム１０とは異なる。レギュレータ９は、モータ室６に供給する高圧水素タンク３の燃料水素ガスの圧力を、再循環経路中にある吸入室５内のオフガスの圧力よりやや高めとなるように調製している。かかる構成をとることにより、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に、ドライな水素により高圧に保たれているモータ室６内に、これより低圧である吸入室５側からオフガスが浸入することが抑制され、オフガス中に含まれる水分によって、モータが腐食する等の不良発生を防止することが可能となる。また、モータ室６に低温となった燃料水素ガスが流通されるので、これによりモータ６ａの冷却が行われ、モータの水冷装置や冷却フィンなどの設置を省略することが可能となる。
【００２０】
さらに本実施形態の燃料電池システム２０では、モータ室６に供給される燃料水素ガスが、高圧水素タンク３の高圧状態からレギュレータ９により、吸入室５の圧力よりやや高めのほぼ一定圧力まで減圧されているので、圧力変化に起因するシールの損傷、及びシールが高圧状態に晒されることに起因するシールの損傷を抑制することができる構造となっている。したがって、モータ室６と吸入室５とを仕切る隔壁７と、隔壁７をモータ室６から吸入室５側に貫通する駆動軸８との間の軸シール２１を、通常使用されるオイルシールやリップシール等の簡便なもので構成することができる。
【００２１】
図３はかかるモータ室６と吸入室５との間に配設された隔壁７に設けられた軸シール２１の一例を示す断面図である。図３において、図面中央に表されているのはモータ室６であり、向かってその右側には吸入室５が配置されている。吸入室５と、モータ室６との間は隔壁７により仕切られている。モータ６ａはその回動の中心に駆動軸８を有している。駆動軸８はモータ室６のハウジング側壁２６に取り付けられた軸受け２２、及び隔壁７のホルダー部２７に取り付けられた軸受け２３を介してモータ室６及び吸入室５の中心部に回転自在に取り付けられている。さらに駆動軸８の図で右方に示される側は、この図には示されていない圧縮機４ａに連結されている。ホルダー部２７において、軸受け２３の吸入室側には軸シール２１が配置されている。図面におけるモータ室６の左下部には、高圧水素タンク３からガス通路１４を介してドライな燃料水素ガスを受け入れる吸入口２４が設けられている。一方、図面におけるモータ室６の右上部にはモータ室６内に導き入れられた燃料水素ガスをガス通路１５側へと送り出す排出口２５が設けられている。
【００２２】
このようなモータ室６と吸入室５との構造において、仮に吸入室５側からモータ室６側へと、オフガスのリークがあるとすれば、それは隔壁７を貫通する駆動軸８の外周部の周囲に沿った部位からのものである。しかし上述した如く、モータ室６は、燃料水素ガスにより吸入室５より高圧に保たれているため、このようなリークが生じにくい。そのため軸シール２１は図示されているようなオイルシールやリップシール等の簡便なもので構成すればよい。
【００２３】
なお、本発明において、圧縮機の形式は特に限定されるものではなく、例えば、往復動式、スクリュー式、スクロール式、ターボ式、ルーツ式などの圧縮機を使用することができる。但し後に示す第５実施形態の燃料電池システム５０においては、圧縮機の形式としてルーツ式を採用する。
【００２４】
（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。図示の燃料電池システム３０は、ガス通路１４からガス通路１５へのバイパス通路１６を設け、バイパス通路１６内にオリフィス１７を設けた点が第２実施形態にかかる燃料電池システム２０とは異なっている。この燃料電池システム３０においては、レギュレータ９により降圧されたドライな燃料水素ガスは、その一部がモータ室６を通過し、その余の燃料水素ガスは、バイパス通路１６を通過して直接燃料電池１に供給される構成をとる。この場合、モータ室６を通過する燃料水素ガスの必要量に応じてオリフィスの有無を決してもよい。
【００２５】
かかる構成の燃料電池システム３０においても、第１及び第２実施形態の燃料電池システム１０、２０と同様に、ドライな水素により高圧に保たれているモータ室６内に、これより低圧である吸入室５側からオフガスが浸入することが抑制され、オフガス中に含まれる水分によって、モータが腐食する等の不良発生を防止することが可能となる。また、モータ室６に低温となった燃料水素ガスが流通されるので、これによりモータ６ａの冷却が行われ、モータ６ａの水冷装置や冷却フィンなどの設置を省略することが可能となる。さらに第２実施形態の燃料電池システム２０と同様、モータ室６内を適度な高圧に保つことができるので、シールを簡易なもので構成することが可能である。
【００２６】
（第４実施形態）
図５は、本発明の第４実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。図示の燃料電池システム４０では、高圧水素タンク３の燃料水素ガスがガス通路１４を介して高圧のままモータ室６に導かれており、モータ室６に導かれた燃料水素ガスはそのままモータ室６内にとどまり、第１〜３実施形態にかかる燃料電池システム１０、２０、３０のようにモータ室６内の燃料水素ガスが燃料電池１へと供給されることはない。燃料水素ガスは、バイパス通路１６を介して、バイパス通路１６に設けられたレギュレータ９により、所定圧力に降圧された上、さらにガス通路１３を経て燃料電池１へと供給される。一方、この燃料電池システム４０における、燃料電池１から排出されるオフガスの再循環に関しては、上述の第１〜３実施形他にかかる燃料電池システム１０、２０、３０と同様に、燃料電池１の排気ポート１ａ、ガス通路１１、吸入室５、圧縮室４、及び、ガス通路１２、１３を経て再び燃料電池１の吸入ポート１ｂへと供給される。
【００２７】
かかる構成の燃料電池システム４０では、高圧の燃料水素ガスが直接モータ室６に供給されるので、吸入室５との差圧を十分にとることができ、確実にオフガスのモータ室６内への浸入を防止することができる。また、モータ室６内の燃料水素ガスを燃料電池１へと導くガス通路を要しないので、それだけシステムを簡素なものにすることができる。
【００２８】
（第５実施形態）
図６は、本発明の第５実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。図示の燃料電池システム５０は、圧縮機としてルーツコンプレッサ５１を使用している点に一つ目の特徴がある。図６の手前側に表されているのがルーツコンプレッサ５１であり、その奥側にギアボックス５５、モータ室６０の順に配置されている。ルーツコンプレッサ５１、ギアボックス５５、モータ室６０の各室は、隔壁により仕切られている。モータ室６０内に収容されている不図示のモータの駆動力は、ギアボックス５５内の変換装置により、互いに異なる方向に回転する２軸の駆動力に変換されて、ルーツコンプレッサ５１のロータ５１ａを駆動している。したがって、モータ室６０とギアボックス５５とを仕切る隔壁には、１本の駆動軸が貫通されており、ギアボックス５５とルーツコンプレッサ５１とを仕切る隔壁には２本の駆動軸が貫通している。１本の駆動軸が貫通しているモータ室６０とギアボックス５５とを仕切る隔壁には、シールが設けられていない。また、２本の駆動軸が貫通しているギアボックス５５とルーツコンプレッサ５１とを仕切る隔壁には、シールが設けられている。
【００２９】
燃料電池１の排気ポート１ａからルーツコンプレッサ５１へと、ガス通路１１が導かれている。ルーツコンプレッサ５１からは、ガス通路１２、１３が燃料電池１の吸入ポート１ｂへと導かれている。これらは、燃料電池１のオフガスの再循環経路を形成している。モータ室６０内のモータが回転されると、その回転力は駆動軸を介してギアボックス５５に伝えられ２軸の回転駆動力に変換される。この２軸の回転駆動力がルーツコンプレッサ５１のロータ５１ａを回転させると、オフガスが圧縮されて、ガス通路１２、１３を介して再び燃料電池１の吸入ポート１ｂへとオフガスが送り出される。同時にルーツコンプレッサ５１の吸入側に負圧が生じ、燃料電池１の排気ポート１ａから排出されるオフガスがガス通路１１を介してルーツコンプレッサ５１へと導き入れられる。
【００３０】
一方、高圧水素タンク３からモータ室６０へとガス通路１４が導かれている。モータ室６０内に導かれた高圧の燃料水素ガスは、ギアボックス５５内に容易に浸入する。モータ室６０とギアボックス５５との間にはシールが設けられていないからである。さらにギアボックス５５内の高圧の燃料水素ガスは、ガス通路１５に設けられたレギュレータ９により所定の圧力に調整された上、ガス通路１５、１３を経て、上記再循環されるオフガスと合流し、吸入ポート１ｂから燃料電池１へと供給されて燃料ガスとして使用される。
【００３１】
かかる構成をとる燃料電池システム５０においては、ルーツコンプレッサ５１とモータ室６０との間にギアボックス５５が配置されており、ルーツコンプレッサ５１からモータ室６０への水分を含んだオフガスの浸入に対して、ギアボックス５５が構造上のバッファとなっている。この点に本実施形態の二つ目の特徴がある。しかも、ギアボックス５５、及びモータ室６０はドライな高圧の燃料水素ガスで満たされており、その流れ方向がモータ室６０からギアボックス５５側へと向かっているので、ますますルーツコンプレッサ５１からモータ室６０への水分を含んだオフガスの浸入は困難なものとなっている。
【００３２】
またルーツコンプレッサ５１自体の構造が逆止弁の機能を備えており、仮に燃料電池１の排気ポート１ａ側の圧力が低下した際にも、オフガスの逆流を防止できる。したがって、再循環経路内に逆支弁を設けることを要しないので、燃料電池システムの構造を簡素なものにすることができる。さらに、ルーツコンプレッサ５１の吸入部を下側に配置することにより、気液分離機の作用を兼ね備えさせることができる。また本実施形態の燃料電池システム５０においても、低温の燃料水素ガスがモータ室６０に供給されるので、これによりモータの冷却が行われ、モータの水冷装置や冷却フィンなどの設置を省略することが可能となる。
【００３３】
なお、以上の各実施形態においては、アノード側の循環に関して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、カソード側に適用して、カソードにおけるガスの再循環に際しても、モータ部を水分による腐食から保護するように構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。
【図３】モータ室と吸入室との間に配設された隔壁に設けられたシールの一例を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。
【図５】本発明の第４実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。
【図６】本発明の第５実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料電池
１ａ  排気ポート
１ｂ  吸入ポート
２  圧縮手段
３  高圧水素タンク
３ａ  ガス出口ポート
４  圧縮室
４ａ  圧縮機
５  吸入室
６  モータ室
６ａ  モータ
７  隔壁
８  駆動軸
９  レギュレータ
１０、２０、３０、４０、５０  燃料電池システム
１１、１２、１３、１４、１５  ガス通路
１６  バイパス通路
１７  オリフィス
２１  軸シール
２２、２３  軸受け
２４  吸入口
２５  排出口
２６  ハウジング側壁
２７  ホルダー部
５１  ルーツコンプレッサ
５１ａ  ロータ
５５  ギアボックス
６０  モータ室
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005203261.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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